橋墩模板側(cè)壓力的試驗研究

郭亞娟（中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，北京102600）

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橋墩模板側(cè)壓力的試驗研究

郭亞娟
（中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，北京102600）

摘 要：工程實踐表明，模板側(cè)壓力計算公式存在局限性，需要新的試驗數(shù)據(jù)支持和修正，確保模板施工的經(jīng)濟(jì)性與安全性。通過對橋梁墩身混凝土產(chǎn)生的側(cè)壓力進(jìn)行大量現(xiàn)場測試，研究了橋墩模板側(cè)壓力隨時間及一次性澆筑高度的變化規(guī)律，明確了最大側(cè)壓力的主要影響因素，及與現(xiàn)有規(guī)范公式的相對偏差。統(tǒng)計分析表明：①橋墩模板側(cè)壓力最大值易出現(xiàn)在模板的中下部，而非最底層，最大值位置與一次性澆筑高度有關(guān)。②初凝時間、澆筑速度對模板側(cè)壓力具有顯著影響，內(nèi)部振搗僅對局部壓力有影響，澆筑方式對模板側(cè)壓力的影響不顯著。③與現(xiàn)有國內(nèi)外規(guī)范公式計算結(jié)果比較表明，現(xiàn)場實測橋墩模板側(cè)壓力超出規(guī)范計算值2．41～4．86倍，因此急需根據(jù)橋墩模板特點制定相應(yīng)計算公式。本研究為下一步制定橋墩模板側(cè)壓力計算公式提供了數(shù)據(jù)支撐，為規(guī)范橋墩模板設(shè)計、確保施工安全奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：橋墩模板；側(cè)壓力；初凝時間；澆筑速度

1　模板側(cè)壓力計算公式的局限性

隨著混凝土施工機(jī)械化程度的提高，施工技術(shù)水平和施工效率有了質(zhì)的飛躍，如泵送混凝土大大提高了澆筑速度，同時由于高性能混凝土的高流動特性等，使得混凝土對橋墩模板的實際側(cè)壓力與目前現(xiàn)有技術(shù)規(guī)范的計算結(jié)果存在較大偏差；且規(guī)范中模板側(cè)壓力計算參數(shù)不易準(zhǔn)確取值，導(dǎo)致近年來，時有工地發(fā)生墩身爆模事故。

目前國內(nèi)有關(guān)混凝土模板側(cè)壓力計算規(guī)范以《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》（GB50666—2011）為主，其主要參考數(shù)據(jù)為建筑結(jié)構(gòu)模板數(shù)據(jù)［1］。橋墩模板尺寸遠(yuǎn)大于建筑結(jié)構(gòu)模板，且一次性澆筑高度一般在8～18m。近年來，不少學(xué)者對橋墩模板爆模進(jìn)行分析，指出模板側(cè)壓力超出計算值是產(chǎn)生爆模的一個主要原因［2－5］。因此，有必要對橋墩模板進(jìn)行現(xiàn)場測試，統(tǒng)計橋墩模板側(cè)壓力實際值，制定單獨的計算公式及模板施工指南，以確保橋墩模板施工安全。

李陸平［6］對橋墩墩身混凝土側(cè)壓力進(jìn)行了理論計算與現(xiàn)場測試結(jié)果分析，指出實測混凝土最大側(cè)壓力約為按照公路規(guī)范理論計算值的2．8倍。汪水清［7］對現(xiàn)澆混凝土模板側(cè)壓力進(jìn)行研究，指出測試最大側(cè)壓力為規(guī)范計算值的1．01～2．20倍，建議修訂公路規(guī)范中模板側(cè)壓力計算公式。薛琪［8］對高性能混凝土的模板側(cè)壓力進(jìn)行分析，指出原有規(guī)范中關(guān)于模板側(cè)壓力計算公式已存在一些局限性，需要新的試驗數(shù)據(jù)支持和修正，并給出部分設(shè)計和施工建議。

王旭峰、劉繼文［9］通過分析深圳地鐵3號線3106標(biāo)段某橋墩立柱模板坍塌事故，指出《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》（GB50666—1992）中混凝土側(cè)壓力計算公式不適應(yīng)當(dāng)前施工條件，缺乏有效試驗數(shù)據(jù)支持。王榮杰［10］在文章中指出模板爆模的主要原因可歸結(jié)為：設(shè)計問題、施工問題、材料問題、管理問題四個方面。

以上所有的研究或基于理論分析，或基于某一工點，同時均指出，需要大量代表現(xiàn)有施工技術(shù)水平的測試數(shù)據(jù)來修訂既有規(guī)范公式。因此，在新的施工技術(shù)條件下，要對模板側(cè)壓力的形成機(jī)理和影響混凝土模板側(cè)壓力的各因素進(jìn)行分析，對模板側(cè)壓力計算公式存在的一些局限性，需要新的試驗數(shù)據(jù)支持和修正，確保模板施工的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

2　現(xiàn)場測試概況

選擇廣東、湖南、重慶、內(nèi)蒙古等四個工點開展橋墩模板側(cè)壓力測試，各工點選取20個橋墩，力爭使測試數(shù)據(jù)代表國內(nèi)橋墩施工的實際狀況，共測試橋墩80個，其中有效橋墩數(shù)為52個。圖1為現(xiàn)場安裝的傳感器。

圖1 現(xiàn)場安裝的傳感器

壓力監(jiān)測采用高精度振弦式壓力盒，溫度監(jiān)測采用半導(dǎo)體類電壓型溫度傳感器。壓力盒沿墩柱高度埋設(shè)多層，布置方式如圖2所示。每一水平測層布置3個測點位，分別位于直線段中點、圓弧段中點及直圓交界處，豎向測點按墩臺全高布置，首層測點位置高于承臺頂面30～50cm，然后依次向上每2m布置一層測點，壓力盒采用綁扎在鋼筋和黏貼在模板上兩種方式安裝。現(xiàn)場測試參數(shù)統(tǒng)計如表1所示。通過對各工點測試參數(shù)統(tǒng)計，得出如下結(jié)論：橋墩施工平均澆筑速度不高、均在3m／h以下，混凝土坍落度普遍較大、最大值達(dá)到210mm，初凝時間各工點存在較大差異，一次性澆筑高度最高為16．5 m，入模溫度及環(huán)境溫度受各地氣候影響較大。

圖2傳感器布置方式（單位：cm）

表1　現(xiàn)場測試參數(shù)統(tǒng)計

圖3為某測試橋墩豎向各層傳感器側(cè)壓力隨時間變化曲線，從圖中可以看出，模板的側(cè)向壓力隨時間逐步增大，達(dá)到峰值后，逐漸趨于平緩，而后呈下降趨勢。該橋墩側(cè)壓力最大值為0．152 MPa，出現(xiàn)在距墩底2．5m處。圖4為同一水平層3個位置處傳感器側(cè)壓力隨時間變化曲線，圖中，3C－1D代表第3層直中點位置，其他依此類推。從圖中可以看出，3條曲線隨時間變化趨勢和最大值基本一致，即同一層3個位置處側(cè)壓力的變化趨勢無明顯差別，模板設(shè)計對各位置可同等考慮。

圖3　豎向各層傳感器側(cè)壓力隨時間變化曲線

圖4　同一水平層傳感器側(cè)壓力隨時間變化曲線

3　測試數(shù)據(jù)處理

3．1測試數(shù)據(jù)分析

圖5、圖6分別為不同橋墩澆筑高度下側(cè)壓力最大值隨高度變化曲線（一次性澆筑高度8～16m）。從圖中可以看出，側(cè)壓力最大值不一定出現(xiàn)在最底層，對于一次性澆筑高度較高情況，最大值可能出現(xiàn)在第2或第3層，即距離橋墩底部2．5～4．5m處，與一次性澆筑高度有關(guān)。分析表明，側(cè)壓力最大值出現(xiàn)的位置與混凝土初凝時間有關(guān)，在澆筑速度不大的情況下，初凝時間短，容易出現(xiàn)側(cè)壓力最大值不在澆筑最底層。

圖5　側(cè)壓力最大值隨高度變化曲線（不同澆筑高度下）

圖6　側(cè)壓力最大值隨高度變化曲線（澆筑高度較小）

3．2測試結(jié)果與現(xiàn)有規(guī)范計算結(jié)果比較

圖7為現(xiàn)場測試結(jié)果與規(guī)范模板側(cè)壓力公式計算的比較。

圖7　測試結(jié)果與現(xiàn)有計算公式比較

從圖中可以看出，現(xiàn)場測試有效橋墩個數(shù)為52個，其中47個橋墩的側(cè)壓力最大值超過現(xiàn)有所有規(guī)范的計算結(jié)果，測試值最大為計算結(jié)果的4．86倍，測試值平均為計算結(jié)果的2．41倍。由此可以看出，橋墩模板的側(cè)壓力大大超出各類規(guī)范的計算結(jié)果，主要是由于現(xiàn)有規(guī)范主要以建筑結(jié)構(gòu)的小模板側(cè)壓力數(shù)據(jù)為主，且所依托的測試條件與現(xiàn)有施工技術(shù)不相匹配。由此也證實了本測試工作意義深遠(yuǎn)，這將為下一步規(guī)范鐵路橋墩模板設(shè)計與施工提供數(shù)據(jù)支撐。

圖中：Ptest代表現(xiàn)場測試橋墩模板側(cè)壓力最大值；P2011代表《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》（GB50666—2011）計算數(shù)據(jù)；P92代表《鋼筋混凝土工程施工及驗收規(guī)范》（GB50204—92）計算數(shù)據(jù)；P89代表《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ041—89），《高速鐵路橋涵工程施工技術(shù)指南》（2010，鐵建設(shè)241號）計算數(shù)據(jù)；PACI04代表美國混凝土協(xié)會《混凝土模板指南》（ACI347—04）計算數(shù)據(jù)；Preport代表英國標(biāo)準(zhǔn)《腳手架實施規(guī)范》（CIRIA Report No．108）計算數(shù)據(jù)；Pger代表德國標(biāo)準(zhǔn)（DIN 18218—2010）計算數(shù)據(jù)。

3．3初凝時間的經(jīng)驗公式問題

現(xiàn)行國內(nèi)大部分模板側(cè)壓力規(guī)范中，對于初凝時間規(guī)定：當(dāng)缺乏試驗資料時，可采用t0＝200／（T ＋15）計算，t0為混凝土的初凝時間，T為混凝土的溫度（℃）。本研究通過對測試橋墩混凝土參數(shù)的測試，發(fā)現(xiàn)該經(jīng)驗公式在大部分地區(qū)偏差較大，測試結(jié)果為計算結(jié)果的0．48～3．15倍。圖8為初凝時間實測與經(jīng)驗公式計算相對誤差曲線，因此不宜采用上述經(jīng)驗公式計算初凝時間。

圖8 初凝時間實測與經(jīng)驗公式計算相對誤差

4 參數(shù)敏感性分析

現(xiàn)有規(guī)范中，側(cè)壓力的影響因素主要有混凝土重度、初凝時間、澆筑速度及外加劑和坍落度影響系數(shù)等，如（GB50666—2011）中側(cè)壓力計算公式如式（1）所示：

式中：F為新澆筑混凝土對模板的最大側(cè)壓力（kN／m2）；γc為混凝土的重力密度（kN／m3）；t0為新澆混凝土的初凝時間（h）；β為混凝土坍落度影響修正系數(shù)：v為混凝土澆筑高度（厚度）與澆筑時間的比值，即澆筑速度（m／h）。

本節(jié)對初凝時間及澆筑速度兩個重要因素進(jìn)行單因素分析，研究現(xiàn)有澆筑條件下其與模板側(cè)壓力的關(guān)系。同時對現(xiàn)有施工條件下發(fā)生改進(jìn)的施工方式如振搗方式、澆筑方式等對側(cè)壓力的影響進(jìn)行分析。

4．1初凝時間對側(cè)壓力的影響

依據(jù)最小二乘法，對初凝時間與側(cè)壓力關(guān)系進(jìn)行非線性擬合，如圖9所示，擬合公式為：

圖9　初凝時間對側(cè)壓力影響曲線

表2為擬合參數(shù)的方差分析表，置信度水平α＝0．05，即在95%置信度水平下，初凝時間對側(cè)壓力具有顯著影響。

表2 初凝時間參數(shù)方差分析表

4．2 澆筑速度對側(cè)壓力的影響

澆筑速度對側(cè)壓力的影響可用公式（3）進(jìn)行擬合，如圖10所示。其方差分析如表3所示，置信度水平α＝0．05，即在95%置信度水平下，澆筑速度對側(cè)壓力具有顯著影響。

圖10　澆筑速度對側(cè)壓力影響曲線

4．3 振搗對側(cè)壓力的影響

在澆筑過程中，在振搗時和振搗間歇階段分別測試側(cè)壓力，測試結(jié)果表明，振搗對模板側(cè)壓力有一定的影響。廣清線銀盞河146墩在澆筑過程中，有無振搗側(cè)壓力變化如圖11所示，在傳感器附近振搗時，側(cè)壓力增加10kPa左右，但由于澆筑過程中側(cè)壓力往往尚未達(dá)到最大值，故振搗對局部1m高度范圍內(nèi)側(cè)壓力有一定影響，對側(cè)壓力最大值不產(chǎn)生影響。

圖11 外部振搗對模板側(cè)壓力影響

表3 澆筑速度參數(shù)方差分析表

4．4 澆筑方式對側(cè)壓力的影響

湖南工點有4個墩采用料斗澆筑，其澆筑速度與其他泵送混凝土澆筑沒有差別，料斗澆筑的速度分別為0．6m／h，1．3m／h，0．9m／h，泵送混凝土澆筑速度亦在1m／h，側(cè)壓力結(jié)果沒有明顯變化。因此，對于橋墩模板，澆筑方式對側(cè)壓力的影響不顯著。

5　結(jié)論

本研究通過大量現(xiàn)場測試研究了橋墩模板側(cè)壓力的大小及主要影響因素，為下一步研究橋墩模板側(cè)壓力計算公式及編制模板設(shè)計、施工手冊提供了技術(shù)支撐。

（1）選擇氣候差異較大的四個工點進(jìn)行橋墩模板側(cè)壓力測試，測試不影響現(xiàn)場設(shè)計、施工進(jìn)程，數(shù)據(jù)量大，可真實反映國內(nèi)橋墩模板施工水平下的模板側(cè)壓力大小。

（2）與現(xiàn)有規(guī)范計算結(jié)果比較，橋墩模板側(cè)壓力超出規(guī)范計算值在2．41～4．86倍，進(jìn)一步證明了修訂橋墩模板側(cè)壓力計算公式的必要性。

（3）對大量橋墩的測試結(jié)果統(tǒng)計表明，側(cè)壓力最大值易于出現(xiàn)在距離墩底2．5～4．5m范圍內(nèi)，與混凝土初凝時間和一次性澆筑高度有關(guān)。

（4）通過現(xiàn)場對初凝時間的測試，和國內(nèi)規(guī)范經(jīng)驗公式計算比較，得出采用經(jīng)驗公式計算初凝時間誤差較大，由于初凝時間對側(cè)壓力影響較大，建議采用現(xiàn)場測試結(jié)果。

（5）分析了橋墩模板側(cè)壓力影響參數(shù)的敏感度，指出初凝時間、澆筑速度對側(cè)壓力具有高度顯著影響；而內(nèi)部振搗僅在振搗過程中對局部側(cè)壓力有影響，對模板側(cè)壓力最大值沒有影響；泵送和料斗澆筑方式對側(cè)壓力最大值影響不明顯。

致謝：本研究得到了鐵路總公司工管中心，廣東珠三角城際軌道交通公司、湖南城際鐵路有限公司、呼準(zhǔn)鄂鐵路有限公司、渝黔鐵路有限責(zé)任公司、中鐵十一局、中鐵二十二局、中鐵二十五局、中鐵大橋局等單位的協(xié)作與支持，在此表示誠摯感謝。

參考文獻(xiàn)

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An Experimental Study of the Lateral Pressure of the Template for Piers

Guo Yajuan
（China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co．，Ltd．，Beijing 102600，China）

Abstract：Engineering practice shows that the existing formula for the calculation of the lateral pressure of the template for piers has certain limitations，which needs new experimental data to support itself and needs to be mended so as to ensure the economy and security of the template．Through a large number of site tests of the lateral pressure caused by the pier body of a bridge，the laws of the change in the lateral pressure of the template for piers with time and the one－time pouring height are studied，with the main influential factors of the maximum lateral pressure and the relative errors between the true data and the norm－calculated data made clear．The statistical analysis shows that：①the maximum value of the lateral pressure of the template for bridge piers tends to occur in the middle and lower parts of the template rather than in the lowest part of the bottom；and the maximum－value－position is related to the one－time pouring height．②The initial setting time and the placing rate have significant influence on the lateral pressure of the template，the internal vibration of concrete has influence only on the local pressure and the pouring mode has little influence on the lateral pressure of the template．③Compared with the results calculated in the light of domestic and international norms＇formulae，the site－measured results of the lateral pressure of the pier template is 2．41～4．86times greater than those calculated according to the formulae in the norms．Therefore，it is urgent to work out a corresponding calculation formula according to the characteristics of the pier template．The present research of ours may provide data support for developing a new formula for the calculation of the lateral pressure of the bridge pier．And the study also lays a solid foundation for the design and construction of the template for piers and helps ensure safe construction．

Key words：form for piers；lateral pressure；time of initial setting；placingrate

作者簡介：郭亞娟（1980—），女，高級工程師，主要從事結(jié)構(gòu)的減振與降噪分析 guoyajuan＠t5y．cn

基金項目：鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃課題（2014G010－E）

收稿日期：2015－11－12

中圖分類號：U443．22；TU755．2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672－3953（2016）01－0001－05

DOI：10．13219／j．gjgyat．2016．01．001