不同規范對現澆混凝土結構側模板水平荷載規定的差異分析

蒲吉見

(中鐵南方投資集團有限公司，廣東 深圳 518054)

0 引 言

模板、支撐的荷載設計值是根據各行業標準、規范的規定，先計算或確定荷載標準值、分項系數，再按基本組合、標準組合表達式，確定荷載效應的組合設計值。目前《鐵路混凝土支架法現澆施工技術規程》(TB 10110—2011，以下簡稱“鐵支規”)、《建筑施工模板安全技術規范》(JGJ 162—2008以，下簡稱“建模規”)對荷載種類，側模板水平荷載的分項系數、標準值的確定、荷載效應組合表達式做了詳盡規定，而《公路橋涵施工技術規范》(JGT/T 3650—2020)規定模板、支撐的結構設計可采用建模規相應規定[3]，且不是強制條文，對荷載組合的規定又與鐵支規一致。由于不同行業的建筑結構既有相似之處，結構構造又有較大區別，怎樣準確理解差別十分重要，如果工程技術人員未能充分理解、掌握這些區別，導致模板設計不是偏于保守，徒增工程成本，就是強度、剛度不夠，穩定性差，存在安全隱患。因此有必要梳理不同行業規范對現澆混凝土結構側模的水平荷載設計值的計算方法，分析其不同規定之間差異原因，讓工程技術人員更準確的理解、掌握、使用規范。

1 荷載分類

作用在結構上的荷載按其作用的時間屬性，可分為永久荷載、可變荷載、偶然荷載[1]，作用在側模上的水平荷載主要包括永久荷載、可變荷載，施工作業起吊工器具到混凝土灌注工作面，有可能出現撞擊模板的偶然沖擊荷載，但出現對模板抗傾覆不利得概率很小。

鐵支規、建模規均規定，側模水平荷載包括新澆筑混凝土對側模產生的壓力荷載、內部振搗混凝土產生的水平荷載、傾倒混凝土產生的水平荷載、風荷載，鐵支規均將其規定為可變荷載，而建模規將新澆混凝土產生的水平荷載規定為永久荷載，分析系數為1.2或1.35，其它荷載規定為可變荷載。

2 荷載標準值計算

2.1 鐵支規對新澆混凝土側模水平荷載標準值計算的規定

鐵支規規定，側模板的結構設計、安裝加固措施設計，其水平荷載分別按式(1)、(2)計算[2]、[3]，并取兩式的較小值，當梁高大于3 m時，若計算值<50 kN/m2時，取50 kN/m2

Pm=0.22γct0k1k2v0.5

(1)

Pm=k1γch0

(2)

式中：Pm為新澆混凝土對模板的最大側壓力，kN/m2；γc為素混凝土重度，取24 kN/m3；t0為混凝土初凝時間，h，目前泵送混凝土塌落度110～180 mm、外摻緩凝劑緩，現場測試初凝時間在8 h左右；k1為外加劑修正系數；不摻外加劑取1.0，摻外加劑取1.2；k2為混凝土入模坍落度修正系數；坍落度h=30 mm時，取0.85；h=50～90 mm時，取1.0；h=110～180 mm時，取1.15；v為混凝土澆筑速度，m/h(沿模板高度方向)；h0為混凝土的有效壓頭高度，m；

當v/t<0.035時；h0=0.22+24.9v/t

當v/t≥0.035時；h0=1.53+3.8v/t

式中：t為混凝土入模溫度 ℃。

分析式(1)、(2)可知，側模水平荷載值大小，主要受混凝土初凝時間t0、灌注速度v變化影響較大。混凝土初凝時間受混凝土入模溫度、環境溫度、水泥種類與特性的影響，在特定條件下其變化范圍、幅度是確定的，可現場測試的。而混凝土的灌注速度的變化較大，影響的因素也較多，其中影響最大的是結構的尺寸、鋼筋的密集程度、混凝土灌注方法等因素，灌注速度因不同的結構、不同的施工設備存在較大差別，要準確確定灌注速度，有必要開展現場測試與研究。

有效壓頭高度與混凝土灌注速度、入模溫度有關，鐵規規定入模溫度采用現場測定溫度，問題是專項施工技術方案需要在方案實施前，按規定流程報審，因此在編制方案時，入模溫度只能根據項目現場環境、類似工程經驗確定，如果在項目現場區域有類似結構工程正在施工，可提前測試混凝土的入模溫度借用。混凝土入模溫度受項目所在地域、施工環境溫度影響較大，在冬季高寒地區冬期施工，入模溫度不得低于5 ℃、否則需要采用升溫技術措施，春秋季節考慮15 ℃、夏季一般地區20、熱帶地區夏季施工不得高于25 ℃，否則需要采取降溫技術措施。統計分析鐵路工程C35混凝土入模溫度數據，初凝時間在7～9 h間，在以t0=8 h計算側模板水平荷載有效壓頭高度。

混凝土灌注速度是指沿模板高度方向的速度，可根據混凝土灌注所需總時間，結構的高度計算即v=H/T，以公路橋梁蓋梁灌注速度為例，若灌注混凝土所需時間為5 h，假定有蓋梁高度2.6 m，則灌注速度v=2.6/5=0.52 m/h，以混凝土入模溫度T=15 ℃、20 ℃，計算分析不同入模溫度條件下，模板水平荷載的變化情況。

(1)按初凝時間、灌注速度計算模板水平荷載標準值

P1=0.22γct0k1k2v0.5=0.22×24×8×1.2×1.15×0.520.5=42 kPa

(2)按有效壓頭高度計算模板水平荷載標準值

當混凝土入模溫度T=15 ℃、澆筑速度v=0.52 m/h時，則

v/T=0.52/15≈0.035

h0=1.53+3.8v/T=1.53+3.8×0.035=1.66 m

當混凝土入模溫度T=20 ℃、澆筑速度v=0.52 m/h時，則：

v/T=0.52/20=0.026<0.035

h0=0.22+24.9v/T=0.22+24.9×0.026=0.86 m

按不同入模溫度計算的有效壓頭高度計算模板水平荷載的標準值有

鑒于模板方案設計的設計是在工程實施前完成的，混凝土入模溫度由方案編制者根據自己的工作經驗確定，在編制方案階段，基礎數據的確定，也存在與實際偏差較大的幾率，因此提前在項目現場針對高大模板結構的混凝土配比，開展混凝土入模溫度的測試，是十分必要的，對于研究內容，在模板支架方案實施過程中，可針對特定條件的混凝土澆筑工程，開展入模溫度、模板側壓力測定，驗證現行規范的合理性。

鐵支規未明確新澆混凝土模板水平荷載標準值的分布，這是規范使用者的盲點。

2.2 建模規對新澆混凝土側模水平荷載標準值計算的規定

建模規規定的側模板水平荷載標準值按公式(1)、(3)計算[2]。

P2=γcH

(3)

式中：H為計算位置至新澆筑的混凝土面高度，本位置是否應在水泥初凝時間以內，本規范未做規定，其它符號與前述公式同。

混凝土初凝時間t0可現場試驗確定，無試驗數據時，按下式t0=200÷(T+15)[1]計算，T為混凝土入模溫度，通過多種方法回歸分析發現，采用自然對數表達兩變量之間函數關系，相關性最強，兩變量之間也可用t0=-3.427ln(T)+16.171對數函數表示，相關系數R2=0.999 2，為強相關。但是，由于混凝土的初凝時間受水泥品種、入模溫度、環境溫度影響，施工現場常根據環境溫度、氣候條件、工藝要求，人為調整混凝土的初凝時間，想通過現場測試不同條件下的混凝土入模溫度與初凝時間，分析兩變量之間的關系，不但工作量大，而且難以采用函數關系準確表達其相關性，因此鐵規并沒有采納本公式。

按建模規規定，假定混凝土初凝時間t0=8 h，則模板水平荷載計算如下

P1=42 kPa

P2=γcH=24×2.6=62.4 kPa

P2計算值與按鐵規規定計算的結果比較，當混凝土入模溫度T=15 ℃時，差異較大，當入模溫度T=20 ℃的計算結果接近。

計算結果取小值Pm=P1=42 kPa。

2.3 其它可變荷載標準值取值

(1)鐵支規對側模其它水平荷載的取值規定與計算表達式

①振搗混凝土產生的水平荷載標準值Q1取4.0 kN/m2。

②傾倒混凝土沖擊荷載Q2取2.0 kN/m2，這里未明確是否為側模水平荷載。

③風荷載標準值ωk=0.7μsμzω0

其中ωk為風荷載標準值，kN/m2，μs為風荷載體型系數，μz為風壓高度變化系數，ω0為基本風壓，kN/m2，當無設計規定時，按《建筑結構荷載規范》(GB 50009)規定采用，目前該規范最新版為GB50009—2012。

本規范未規定振搗混凝土工況，水平荷載作用范圍，未明確不考慮傾倒混凝土工況產生的水平荷載原因。

(2)建模規對側模其它水平荷載取值規定與計算表達式

①振搗混凝土產生的水平荷載標準值Q1取4.0 kN/m2，作用在有效壓頭高度范圍。

②傾倒混凝土產生的水平荷載標準值Q2，根據不同的施工工況進行了規定，具體規定表1，作用在有效壓頭高度范圍。

表1 不同工況下水平荷載規定值表

③風荷載標準值按《建筑結構荷載規范》(GB 50009)相關規定計算，重現期10年，風振系數βz=1.0[1]。

通過以上比較發現在鐵路、建筑行業，模板水平荷載標準值得規定差異較大，除振搗混凝土產生的水平荷載標準值取值相同外，建筑規范對傾倒混凝土工況產生的水平荷載標準值，根據結構澆筑方法的不同，其取值做了詳細規定，同時規定了振搗混凝土工況水平荷載的作用范圍，風載的重現期。

3 荷載的設計值與荷載組合

3.1 荷載設計值與分項系數

在計算模板、支架結構的強度、剛度、穩定性時，采用荷載設計值，荷載設計值為組合荷載標準值與荷載分項系數的乘積，荷載分項系數不是簡單將設計荷載放大，也不是傳統意義上的安全系數，它通過一個大于1的系數，定義荷載的不確定性與結構的可靠度之間的關系，該系數是基于概率統計計算的結果，安全系數法只是概率統計系數近似表達[5]。對于現澆混凝土結構模板水平荷載的分析系數，鐵支規均將水平荷載劃分為可變荷載，荷載分項系數1.4，建模規水平荷載的分類與分項系數具體規定見表2[2]。

3.2 荷載組合

荷載組合分基本組合、標準組合，結構的承載能力極限狀態設計，按基本組合表達式計算荷載效應組合的設計值；結構的正常使用極限狀態設計，按標準組合表達式計算荷載效應組合的設計值，荷載組合設計值的表達式，鐵支規與建模規對荷載效應組合表達式的規定存在差異，究其原因，應該是建筑行業的結構構件小，荷載差異性大，模板對荷載變化敏感，而鐵路行業結構構件較大、荷載作用相對明確。

表2 不同工況下水平荷載分項系數表

(1)基本組合

建模規規定的基本組合荷載效應的組合表達式如下，并取其最不利值，作為荷載組合設計值。

永久荷載控制時，S=1.35SG+1.4×0.7SQ，式中可變荷載組合值系數為0.7。

可變荷載控制時，S=1.2SG+1.4S1Q；S=1.2SG+0.9∑1.4SQ，兩表達式與《建筑結構荷載規范》(GB 50009)第3.2.3條第一款有差異。

鐵規規定的基本組合荷載效應的組合表達式為S=1.2SG+1.4(SQ1+∑ΨJSQJ)，與《建筑結構荷載規范》(GB 50009)第3.2.3條第一款規定一致，本條是在國標GB 50009中明確的由可變荷載控制的荷載組合效應設計表達式，但鐵規未對其說明，也未具體規定可變荷載的組合值系數。式中SQ1為主導可變荷載，ΨJ為其它可變荷載的組合值系數，具體取值未做規定，J>1。

由此可見基本組合，兩本規范都部分參照了國標GB 50009，并且有各自不同。

(2)標準組合

標準組合的荷載效應設計值表達式，建規規定：S=SG，即為永久荷載標準值組合；鐵支規規定：S=SG+SQ1+∑ΨJSQJ，可見除主可變荷載外，其它可變荷載需要乘組合系數。

3.3 側模的水平荷載組合表達式及其值計算

按鐵支規規定計算模板及支撐的強度、剛度、穩定性時，其荷載效應組合表達式不組合傾倒混凝土產生的沖擊荷載，具體計算如下。

計算強度時采用基本組合：1.4(Pm+Q1)=1.4(42+4)=64.4 kN/m2

計算剛度時采用標準組合：Pm

完成模板安裝但未安裝鋼筋工況的模板穩定性采用基本組合：0.9×1.4ωk，本條為鐵支規特別規定[3]。

按建模規的規定在計算模板及支撐的強度時采用基本組合，并根據結構尺寸不同，采用澆筑混凝土時最不利工況的荷載組合。

當梁、拱、柱最小尺寸≤0.3 m，墻厚≤0.1 m時，由于結構斷面小，瞬間傾倒灌注混凝土量小，沖擊荷載小，振搗混凝土產生的水平荷載不利，故按下式組合

1.4(Q1+Pm)=1.4(4+42)=64.4 kN/m2。

當梁、拱、柱最小尺寸0.3>m，墻厚0.1>m時，由于結構斷面較大，瞬間傾倒混凝土量較多，沖擊產生的水平荷載比振搗混凝土工況更為不利，因此按下式組合

1.4(Q2+Pm)=1.4(Q2+42)

當采用料斗容量V容量≥0.8 m3傾倒混凝土時，Q2分項系數為1.3，基本組合表達式為1.3Q2+1.4Pm，組合荷載設計值=1.3×6+1.4×42=66.6>64.4。當采用其它工具卸料灌注混凝土，荷載組合設計值按1.4(Q2+Pm)計算，其計算結果小于等于1.4(Q1+Pm)計算值，目前工程施工采用泵送混凝土導管傾倒混凝土，Q2的基本值為2 kN/m2，小于振搗混凝土的4 kN/m2，故此鐵支規未規定組合傾倒混凝土工況荷載。

計算剛度時采用標準組合：Pm

建模規未對模板的穩定工況規定荷載組合效應的設計值表達式。

4 荷載效應組合值的線形分布

澆筑混凝土側模板結構設計，需要繪制沿計算高度范圍的水平荷載效應的組合值，新澆混凝土側模水平荷載標準值分布情況。由于鐵規未明確振搗混凝土工況水平荷載作用范圍，在實際工作中，均考慮其作用在計算高度范圍，因此與建規比較，二者的組合值分布是存在較大差異的。

5 結 語

通過比較鐵支規、建模規對現澆混凝土側模水平荷載的分類、標準值與設計值、分項系數、荷載組合等規定的分析比較，作者認為兩部規范主要存在以下差異。

(1)規范對水平荷載主荷載標準值的計算、其它荷載的取值規定基本是相同，但按鐵支規定水平荷載的基本組合值大于建模規，原因在于新澆混凝土側壓力產生的水平荷載的分類不同，同時鐵支規又規定了標準值的最小值；振搗混凝土產生的水平荷載的作用范圍不同。

(2)由于建筑工程結構復雜，建模規根據不同的結構尺寸，規定了兩種基本組合，結構尺寸較小時，組合振搗混凝土水平荷載，結構尺寸較大時組合傾倒混凝土水平荷載，而鐵支規為考慮傾倒混凝土工況。

(3)未定義計算高度，實際工作中一般取計算高度為側模板的高度，且在全高度范圍混凝土澆筑完成前，應不會出現混凝土初擬現象，否則荷載組合的設計值與實際情況會議較大誤差。

水平荷載的大小還與混凝土灌注速度、入模溫度、初凝時間密切相關，但這些參數又受多方面因素影響，尋求建立反映各中因素的本構模型是困難的，可以通過開展相關數據的測試研究，驗證現有規定、優化或重新建立水平荷載的計算模型，為規范的修編提高工程案例與數據，推進建設領域施工技術不斷進步。