混凝土浮力研究

李明輝

1 工程概況

臺山核電廠一期循環(huán)水進水管溝為內(nèi)圓外方型截面，由于整個循環(huán)水進水管溝較長，設(shè)計分為A1～A11共11段。每段長度20 m～30 m，內(nèi)圓截面直徑3.2 m～4.4 m。本文以循環(huán)進水管溝A8段(以下簡稱A8段)為例研究混凝土澆筑過程中混凝土對內(nèi)圓模板浮力的計算。A8段長20 m，截面尺寸如圖1所示。

圖1 循環(huán)進水管溝A8段截面尺寸

圖2 混凝土側(cè)壓力計算分布圖

施工中為了防止裂縫的產(chǎn)生，A8段采用整體一次性澆筑，不留設(shè)水平施工縫。

內(nèi)圓模板為直徑3200mm的整圓模板，由于內(nèi)圓模板直徑較大，在混凝土澆筑過程中，內(nèi)圓模板所受混凝土浮力較大，在模板設(shè)計及加固時必須考慮混凝土浮力的作用。內(nèi)圓模板內(nèi)部支撐經(jīng)過可靠計算，內(nèi)圓模板不會產(chǎn)生大于3mm的變形。內(nèi)圓模板通過上部型鋼支架、木方將混凝土浮力傳到抗浮工字鋼。抗浮工字鋼兩端壓20號工字鋼，用手拉葫蘆將工字鋼與替代混凝土預(yù)埋拉環(huán)拉結(jié)?？垢」ぷ咒撻g距由計算確定。

2 混凝土浮力分析

對于液體，根據(jù)阿基米德原理，物體受到液體的浮力大小為它排開的液體的重力:

混凝土具有特殊性:第一，由于混凝土不是全流態(tài)，所以混凝土的浮力不能等同于液體，也就是用阿基米德原理計算出來的浮力大于實際的浮力;第二，混凝土內(nèi)部具有粘結(jié)力能抵抗一部分浮力;第三，混凝土實際澆筑速度控制在1 m/h，混凝土初凝時間大約3 h～4 h，澆筑上部混凝土?xí)r下部3 m～4 m以下混凝土已經(jīng)初凝。

在現(xiàn)行的相關(guān)規(guī)范中沒有關(guān)于混凝土浮力計算的相關(guān)介紹。故混凝土浮力的計算在工程施工中給技術(shù)人員帶來很大困難。但混凝土對模板的側(cè)壓力計算可以參考《建筑施工手冊》。根據(jù)《建筑施工手冊》新澆混凝土對模板側(cè)面的壓力標(biāo)準(zhǔn)值(采用內(nèi)部振搗器時)，可按以下兩式計算，并取其較小值:

其中，F(xiàn)為對模板的最大側(cè)壓力，kN/m2;γc為混凝土的重力密度，kN/m3;t0為新澆筑混凝土的初凝時間，h，可按實測確定。當(dāng)缺乏試驗資料時，可采用t0=200/(T+15)計算(T為混凝土的溫度，℃);V為混凝土的澆筑速度，m/h;H為混凝土側(cè)壓力計算位置處至新澆筑混凝土頂面的總高度，m;β1為外加劑影響修正系數(shù)，不摻外加劑時取1.0，摻具有緩凝作用的外加劑時取 1.2;β2為混凝土坍落度影響修正系數(shù)，當(dāng)坍落度小于30mm時，取0.85，坍落度為50mm～90mm時，取1.0，坍落度為110mm～150mm時，取 1.15。

混凝土側(cè)壓力分布曲線如圖2所示。

混凝土浮力與混凝土內(nèi)部流體壓力有密切關(guān)系，混凝土對模板的側(cè)壓力是由混凝土內(nèi)部的流體壓力引起的，在液體內(nèi)部壓力沿各個方向相等，而混凝土浮力正是由于混凝土內(nèi)部液體壓力引起的。由于混凝土內(nèi)部液體壓力隨深度變化曲線不同于純液體內(nèi)部壓力隨深度的變化曲線;純液體壓力曲線隨深度的增加而線性增加，混凝土內(nèi)部液體壓力隨深度的增加，先是線性增加，后保持不變。故公式F浮=G排=ρgv并不適用于混凝土浮力的計算。

浮力的本質(zhì)是由于液體中物體表面所受液體的壓力差引起的;同樣物體在混凝土中的浮力也是由于物體表面所受流動的混凝土的壓力差引起的。若浸在混凝土中的物體為立方體，則可以通過混凝土壓力隨深度變化的曲線計算出上下表面的壓力，然后計算出浮力。

3 實際工程中混凝土浮力計算

現(xiàn)在以臺山核電廠一期1號、2號機組循環(huán)水進排水管溝(HGO)A8段內(nèi)圓模板為例來講述混凝土浮力的計算。

由于混凝土的側(cè)壓力隨混凝土深度的增加先是線性增大，然后保持不變。故當(dāng)混凝土剛好覆沒內(nèi)圓模板頂部時混凝土對內(nèi)圓模板的浮力最大(見圖3)，取1 m長的內(nèi)圓模板作為計算單元進行計算分析。

側(cè)壓力計算:

混凝土的重力密度γc取24 kN/m3，混凝土的初凝時間t0取3.5 h，外加劑影響修正系數(shù)β1取1.2，混凝土坍落度影響修正系數(shù)β2取1.15，混凝土澆筑速度V取1 m/h。

由公式:F=0.22γct0β1β2V1/2得:F=25.5 kN/m2;

由公式F=γcH得:F=76.8 kN/m2;

綜合以上兩式得:F=25.5 kN/m2;

有效壓頭高度 h=F/γc=25.5/24=1.063 m。

混凝土側(cè)壓力分布如圖2所示。

當(dāng) x＜2.137 時，P(x)=25.5;

當(dāng) x＞2.137時，P(x)=24×(3.2－x)=76.8－24x;

通過電腦積分計算得:

F浮=53.9 kN。

按混凝土為純液體計算浮力:

F浮=ρgv=γcV=24 ×(3.14 ×1.6 ×1.6 ×1)=192.9 kN。

4 結(jié)語

由以上計算可以看出在本算例中混凝土浮力相當(dāng)于按混凝土為純液體計算所得浮力值的1/3.6，此處1/3.6可以看作混凝土浮力的折減系數(shù)，該折減系數(shù)1/3.6僅適用于本算例，并不適用于所有情況。折減系數(shù)與混凝土初凝時間、混凝土澆筑速度、混凝土所添加外加劑、混凝土坍落度、混凝土澆筑高度、所浮物體的高度和截面形狀等均有關(guān)系。

一般來說，混凝土初凝時間越長浮力越大;混凝土澆筑速度越快浮力越大;混凝土坍落度越大浮力越大。小體積物體在混凝土中的浮力折減系數(shù)相對較小。高度小于1 m的物體在混凝土澆筑過程中的最大浮力近似等于按混凝土為純液體狀態(tài)計算出的浮力。高度較大的物體在混凝土澆筑過程中的最大浮力的折減相對較多。

計算出混凝土對內(nèi)圓模板的浮力后就可以通過計算采取相應(yīng)的抗浮措施了。

［1］ 劉恩元.巖石地基上建筑物上浮破壞實例及經(jīng)驗教訓(xùn)［J］.山西建筑，2009，35(5):88-89.