橋梁墩柱澆筑高度與模板側(cè)壓力影響分析

俞國際

（宏潤建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，上海市200235）

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活水平普遍提高，私家車和物流的迅猛增加，帶來了高速公路、高鐵和城市交通建設(shè)的又一輪快速發(fā)展。城市高架橋、多層互通式立交橋、城際高鐵在祖國大地普遍顯現(xiàn)，使10 m以上的橋梁墩柱大量出現(xiàn)。由于現(xiàn)在全國工程質(zhì)量意識(shí)的提高，橋梁墩柱一般采用一次澆筑成型或長節(jié)段施工工藝，以盡量保證橋墩柱密實(shí)、耐久、外觀平整、光順挺直無明顯接茬，因此橋梁墩柱模板設(shè)計(jì)的安全度、精度、強(qiáng)度、剛度和經(jīng)濟(jì)性有了更高的要求。由于目前施工技術(shù)力量良莠不一，對鋼筋混凝土橋梁墩柱的模板設(shè)計(jì)未引起高度重視，情況主要如下：一是估計(jì)不到橋梁墩柱澆筑混凝土?xí)r，模板承受極高側(cè)壓力；二是認(rèn)為按以往規(guī)范規(guī)定，模板最大側(cè)壓力限值為80 kN/m2，以此設(shè)計(jì)絕無大礙；三是對橋梁墩柱混凝土的有效壓頭(h)計(jì)算值認(rèn)為是無疑議的，即，現(xiàn)若取 Fm=80 kN/m2，γ=24 kN/m3，則 h=3.33 m，即認(rèn)為這就是影響橋梁墩柱模板側(cè)壓力值的有最大效壓頭；四是由于技術(shù)的進(jìn)步，認(rèn)識(shí)的深化，影響結(jié)構(gòu)耐久性因素的增多，使人們對混凝土初凝時(shí)間認(rèn)識(shí)得到更新，但沒有獲得更多的普及，還停留在過去初凝時(shí)間4 h的概念?，F(xiàn)在橋梁墩柱澆筑的混凝土處于流塑性狀態(tài)的時(shí)間變長，其模板承受最大側(cè)壓力的持續(xù)時(shí)間就長，模板處于最大側(cè)壓力的危險(xiǎn)時(shí)間就長；因此在橋梁墩柱澆筑混凝土?xí)r，模板爆模以致傷人事故時(shí)有發(fā)生。

根據(jù)以往施工中遇到的情況，深感橋梁墩柱的模板設(shè)計(jì)應(yīng)重視模板側(cè)壓力值的確定，并針對墩柱澆筑高度與模板側(cè)壓力影響關(guān)系提出若干看法。

1 影響模板側(cè)壓力的因素

（1）橋梁墩柱的施工是在墩柱鋼筋綁扎成型后安裝專門設(shè)計(jì)的四周閉合的定型模板，然后通過混凝土泵把新拌混凝土泵送到定型模板內(nèi)振搗成型。因此，新拌混凝土必須具有很好的工作性，在外力振搗下很快形成塑性流，使新拌混凝土充填到閉合模板的每一處并很好的包裹鋼筋和預(yù)埋件，使墩柱達(dá)到密實(shí)、無空洞、無蜂麻、露筋、表面光潔。由此要求新拌混凝土必須要有很好的配合比設(shè)計(jì)、骨料的級(jí)配設(shè)計(jì)、施工工藝的設(shè)計(jì)、質(zhì)量控制的設(shè)計(jì)，而這些與高橋墩柱模板側(cè)壓力有極大關(guān)聯(lián)。

（2）新拌混凝土的密度、混凝土坍落度、含砂率、混凝土的稠度、外加劑類型、混凝土搗實(shí)因素、混凝土澆筑溫度、混凝土初凝時(shí)間、混凝土卸料高度、澆筑速度、振搗方法、振搗器具、配筋率及一次澆筑高度，這些均影響模板側(cè)壓力大小和澆筑的安全。

（3）同時(shí)，應(yīng)認(rèn)識(shí)新拌混凝土在初凝前，尤其在振搗時(shí)，混凝土很快沉陷而液化成流體狀態(tài)，并在外力持續(xù)作用下，成為塑性流。此時(shí)，混凝土一邊排除體內(nèi)氣體和泌水，一邊自由流動(dòng)，使密集的鋼筋和預(yù)應(yīng)力管道及預(yù)埋件能被流動(dòng)的混凝土完全包裹，使墩柱體內(nèi)無一空洞、蜂麻、其密度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。而且，當(dāng)新拌混凝土在流體狀態(tài)下，對墩柱模板產(chǎn)生流體靜壓力，再加上各種外力因素，對模板產(chǎn)生很大的側(cè)壓力；當(dāng)混凝土仍處于初凝時(shí)間段內(nèi)，它始終處于流體狀態(tài)，其對模板產(chǎn)生的流體靜壓力值Fm就是墩柱澆筑高度H和混凝土重力密度γc的乘積，即Fm=HγckN/m2。這是毫無疑問的，問題是這個(gè)高度應(yīng)取多大，取有效壓力頭h，還是一次澆筑的全高，需要認(rèn)真思考的。

（4）無論基礎(chǔ)、墻體、墩柱在澆筑混凝土?xí)r，均是分層澆筑、循環(huán)漸近，但當(dāng)最初澆筑的幾層混凝土完成后，繼續(xù)往上澆筑，并有一定時(shí)間間隔。此時(shí)最初澆筑的混凝土已逐漸脫離了后續(xù)澆筑混凝土振搗作用半徑的影響區(qū)，但仍處于初凝時(shí)間內(nèi)，終凝尚未開始的時(shí)間段內(nèi)，又由于先澆混凝土在自身水化作用下，流動(dòng)性受到阻滯逐漸減緩而能“自立”。這樣就能阻擋新澆混凝土產(chǎn)生的部分液體靜壓力，從而減小下部模板的側(cè)壓力，也就是更多層澆筑的混凝土底部模板側(cè)壓力不再按F=Hγc的斜率變化。

（5）橋梁墩柱等均有較密集的鋼筋，當(dāng)開始澆筑混凝土?xí)r，鋼筋間被更大的混凝土流體靜壓力把前端混凝土擠壓到模板和鋼筋之間的空間(保護(hù)層)充盈后，密排的鋼筋開始阻堵繼續(xù)而來的混凝土，并分擔(dān)部分混凝土的流體靜壓力，從而降低了模板的側(cè)壓力值。

2 模板新澆混凝土?xí)r側(cè)壓力的計(jì)算和演變

（1）我國橋梁墩柱模板的設(shè)計(jì)計(jì)算，1980年版《公路橋涵施工設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》中首次提出有關(guān)模板側(cè)壓力的計(jì)算通式。它僅按不同振搗工藝分為內(nèi)部振搗和外部振搗兩部分列出計(jì)算通式和適用范圍，并未考慮泵送混凝土和非泵送混凝土、外加劑、初凝時(shí)間、澆筑速度等對模板側(cè)壓力的影響，因此有它的局限性。現(xiàn)將按振搗工藝區(qū)分的計(jì)算通式列于表1。

由表1中的模板側(cè)壓力計(jì)算公式看，在橋梁墩柱較低、混凝土初凝時(shí)間較短的工況下可適用，但在墩柱較高、混凝土初凝時(shí)間較長時(shí)就不適用。從圖示中的0點(diǎn)以上三角形部分為有效壓頭R或H時(shí)產(chǎn)生的單位側(cè)壓力(γR或γH)，而對0點(diǎn)以下部分高度的模板所受側(cè)壓力也假設(shè)為有效壓頭產(chǎn)生的側(cè)壓力，而忽視此部分混凝土尚在初凝時(shí)間段內(nèi)還具有流體靜壓力的作用，而且很大。這樣高墩柱模板按此計(jì)算底部受力要比圖示計(jì)算的模板側(cè)壓力大2～3倍，使模板處于不安全狀況。

（2）1989年版《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》對1980年版中有關(guān)模板最大側(cè)壓力計(jì)算進(jìn)行了修改，增加了泵送混凝土對模板最大側(cè)壓力值，其它仍按內(nèi)部振搗器和外部振搗器兩種工藝進(jìn)行模板最大側(cè)壓力計(jì)算，并引進(jìn)了外加劑系數(shù)K、混凝土拌合物的稠度影響系數(shù)K1和混凝土拌合物的溫度系數(shù)K2；同時(shí)對公式適用范圍，引入澆筑速度V(m/h)和澆筑時(shí)混凝土溫度等影響因素，通過回歸分析列出不同狀況下有效壓頭高度h的計(jì)算公式，并由此計(jì)算模板最大側(cè)壓力Fmax=Kγh和外部振搗公式 F=γH 及Fmax=γ(0.27V+0.78)K1K2。但從1989版《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》模板最大側(cè)壓力計(jì)算分布圖看，其仍未擺脫1980年版的影響，公式計(jì)算值仍然低于高墩柱、大方量、長初凝時(shí)間、連續(xù)澆筑混凝土?xí)r實(shí)際發(fā)生的模板側(cè)壓力值。

表1 新澆混凝土側(cè)壓力計(jì)算表

（3）2000年版《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ041-2000）中模板側(cè)壓力計(jì)算采用《鋼筋混凝土工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》（GBJ204-83）版中模板側(cè)壓力計(jì)算，當(dāng)采用插入式振搗器時(shí):

式中：F——新澆混凝土對模板的最大側(cè)壓力，kN/m2；

γc——混凝土的重力密度，kN/m2；

t0——新澆混凝土的初凝時(shí)間，h，可按實(shí)測確定，當(dāng)缺乏試驗(yàn)資料時(shí)，可采用計(jì)算；

T——混凝土溫度，℃；

V——混凝土的澆灌速度，m/h；

H——混凝土側(cè)壓力計(jì)算位置處至新澆混凝土頂面的總高度，m；

β1——外加劑影響修正系數(shù)，不摻外加劑時(shí)取1.0；摻具有緩凝作用的外加劑時(shí)取1.2；

β2——混凝土坍落度影響修正系數(shù)，當(dāng)坍落度小于30 mm時(shí)，取 0.85,；50～90 mm時(shí)，取 1.0；110～150 mm時(shí)取 1.15。

上兩公式計(jì)算后，取小值作為模板設(shè)計(jì)之依據(jù)；同時(shí)確定模板最大側(cè)壓力值，當(dāng)氣溫在15℃，澆筑速度在V=6 m/h時(shí)，模板最大側(cè)壓力為80 kN/m2。這些限制對工業(yè)與民用建筑施工或許可行，但對橋梁施工中的高墩柱、大方量混凝土、長初凝時(shí)間、連續(xù)澆筑的混凝土模板設(shè)計(jì)側(cè)壓力值就偏小，需進(jìn)一步探討。

（4）《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》（GB50666-2011）對采用插入式振搗器且澆筑速度不大于10 m/h，混凝土坍落度不大于180 mm時(shí)，新澆混凝土對模板的側(cè)壓力的標(biāo)準(zhǔn)值按下列公式分別計(jì)算，并應(yīng)取其中的較小值。

當(dāng)澆筑速度大于10 m/h，坍落度大于180 mm時(shí)，側(cè)壓力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算按式（4）計(jì)算。

3 我國新澆混凝土側(cè)壓力計(jì)算值與國外同行的比較

上面講到新澆混凝土的側(cè)壓力，受混凝土配比設(shè)計(jì)、施工工藝設(shè)計(jì)、質(zhì)量控制設(shè)計(jì)，以及混凝土的原材料物理性能、混凝土澆筑速度、卸料高度和混凝土的溫度、氣溫及初凝時(shí)間、含筋率等有關(guān)。因此，在側(cè)壓力計(jì)算和模板設(shè)計(jì)時(shí)，需結(jié)合實(shí)際綜合考慮，從現(xiàn)有的各種側(cè)壓力計(jì)算結(jié)果看，我國新澆混凝土側(cè)壓力計(jì)算值是偏小的，適用范圍存在局限性。根據(jù)有關(guān)單位提供的資料看，我國新澆混凝土側(cè)壓力計(jì)算較一些發(fā)達(dá)國家每平米約小10～20 kN/m2，人們可從各國針對新澆混凝土側(cè)壓力與澆筑速度、澆筑混凝土溫度的關(guān)系曲線圖中進(jìn)行比較，如圖1實(shí)測Fm-V曲線圖、圖2實(shí)測Fm-T曲線圖所示。

圖1 模板側(cè)壓力與澆筑速度關(guān)系曲線圖

我國新澆混凝土側(cè)壓力較美、日、德均偏低不少，根據(jù)圖1、圖2列出統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)于表2和表3。

由表2和表3可見在考慮澆筑速度上，我國側(cè)壓力計(jì)算值低于美、日、德三國約在18.18%～21.63%；在澆筑溫度不同情況下，我國新澆混凝土側(cè)壓力計(jì)算值低于三國約在15.45%～22.43%，較個(gè)別國家最大差值達(dá)16.6 kN/m2，最小的也達(dá)3 kN/m2。

表2 不同澆筑速度下各國側(cè)壓力對比表

表3 不同澆筑溫度下各國側(cè)壓力對比表

由于我國新澆混凝土側(cè)壓力偏低和計(jì)算公式（1）、（2）的局限性，已成為工程界的共識(shí)；因此在《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》（GB50666-2011）中對《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ041-2000）的混凝土側(cè)壓力計(jì)算公式進(jìn)行了修改，由原來0.22系數(shù)提高到0.28，正好把側(cè)壓力值提高了27.27%。新推薦的新澆混凝土對模板的側(cè)壓力的標(biāo)準(zhǔn)值，按下列公式分別計(jì)算。

當(dāng)澆筑速度大于10 m/h，混凝土坍落度大于180 mm時(shí)，側(cè)壓力的標(biāo)準(zhǔn)值可按式（4）計(jì)算，這樣把我國新澆混凝土對模板側(cè)壓力的標(biāo)準(zhǔn)值提高了25%左右。同時(shí)，提出澆筑速度V大于10 m/h或混凝土坍落度大于180 mm兩條適應(yīng)條件，只要有一條符合就可按公式F=γcH（4）進(jìn)行計(jì)算。這樣對橋梁高墩柱模板設(shè)計(jì)計(jì)算有了規(guī)范依據(jù)，也確保高橋墩柱施工的安全。

4 高墩柱新澆混凝土側(cè)壓力計(jì)算值的修正

前面敘述到模板側(cè)壓力與混凝土配比設(shè)計(jì)、施工工藝、質(zhì)量控制設(shè)計(jì)，以及混凝土各種混合料的物理參數(shù)、混凝土水化速度、初凝時(shí)間、混凝土含筋率、入模卸料高度等有關(guān)。同時(shí)在高墩柱澆筑混凝土隨著時(shí)間而逐層增加過程中，這些因素慢慢起著對側(cè)壓力的阻滯作用。因?yàn)樵诙罩饾u增高過程中，底部新澆混凝土仍然處于混凝土的初凝時(shí)間段內(nèi)，混凝土仍然處于流體狀態(tài)，其流體靜壓力值仍符合F=γcH規(guī)律。但從另一方面說，墩柱逐層澆筑增高，而底層混凝土逐漸遠(yuǎn)離上層新澆混凝土的振搗影響區(qū)，失去液化的可能。此時(shí)底層新澆混凝土隨著時(shí)間的延長，混凝土的水化也慢慢作用，初凝時(shí)間也慢慢向終凝時(shí)間接近，這些均促使底層澆筑的混凝土逐漸產(chǎn)生了“自立能力”，而減少了底部混凝土的側(cè)壓力值。同時(shí)在混凝土澆筑過程中，高墩柱斷面配筋率較高，又密集排列。當(dāng)新澆混凝土在卸料沖擊力與振搗力作用下與混凝土流體靜壓力疊加形成較大的水平側(cè)壓力把新澆混凝土推擠到模板與鋼筋間的保護(hù)層處，在其充盈后，對后續(xù)的混凝土塑性流產(chǎn)生的側(cè)壓力就由模板和密集排列的鋼筋及已具“自立能力”的混凝土共同分擔(dān)，這樣就減少了模板直接承擔(dān)的水平側(cè)壓力值。同時(shí)也應(yīng)清楚地認(rèn)識(shí)到當(dāng)整根墩柱模板內(nèi)的混凝土仍處于初凝時(shí)間段內(nèi)的流體狀態(tài)，墩柱模板所受純混凝土的側(cè)壓力的理論計(jì)算值為F=γcH（或F=γcf（H）），它是大于上面分析的結(jié)果模板實(shí)際側(cè)壓力值，這又提出如何修正能更加符合工程施工實(shí)際應(yīng)用。

根據(jù)相關(guān)研究資料也證明墩柱新澆混凝土模板側(cè)壓力理論計(jì)算值比實(shí)測現(xiàn)澆混凝土模板側(cè)壓力大。詳見圖3模板澆筑高度與側(cè)壓力關(guān)系圖和圖4泵送混凝土澆筑與側(cè)壓力關(guān)系圖。從圖3看，新澆混凝土分七層澆筑，其初凝時(shí)間為4 h，混凝土配合比等均符合要求，當(dāng)澆筑第一、二、三層時(shí)，由于澆筑高度低，時(shí)間間隔短，它們的側(cè)壓力理論值與實(shí)測值的差比較接近,均在-7%左右；當(dāng)澆筑到第四層以后，層次逐漸增高，初凝時(shí)間逐漸延長，使各層實(shí)測側(cè)壓力值向理論斜線反方向偏離并隨著澆筑高度的增加而擴(kuò)大。同樣在圖4中，泵送混凝土?xí)r，總澆筑高度5 m，分五層澆筑，當(dāng)?shù)谝粚訚仓?.25 m時(shí)，實(shí)測側(cè)壓力值小于理論值；當(dāng)澆筑到2.75 m時(shí)，檢測了1.25 m、1.75 m、2.70 m三個(gè)高度側(cè)壓力的實(shí)測值比理論值小約10%左右，到澆到3.70 m和4.8 m時(shí)實(shí)測值比理論值小約13%以上，這些實(shí)測結(jié)果與上面的分析驗(yàn)證是一致的。上面分析結(jié)果列于表4中。

圖3 模板澆筑高度與側(cè)壓力關(guān)系曲線圖

圖4 泵送混凝土澆筑與側(cè)壓力關(guān)系曲線圖

表4 不同澆筑高度下側(cè)壓力理論值與實(shí)測值分析表（單位：kN/m2）

5 結(jié)語

由于資料和檢測的數(shù)據(jù)圖表少而局限、只能證明在澆筑高墩柱混凝土?xí)r，隨著高度的升高、初凝時(shí)間的延長、新澆混凝土內(nèi)部各結(jié)構(gòu)組成的物理性能和化學(xué)性能的變化，使模板底部承受的最大側(cè)壓力受到阻滯而逐漸減弱。因此，在高墩柱澆筑混凝土?xí)r對模板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)側(cè)壓力值的計(jì)算應(yīng)低于理論值F=γcH是合理和安全的。但過去往往被忽視而疏于研究，且不能確定其折減系數(shù)究竟取多少。根據(jù)表4，可求得七層混凝土澆筑時(shí)模板側(cè)壓力實(shí)測值比理論值平均低18%；分五層澆筑時(shí)，模板側(cè)壓力實(shí)測值比理論值低14%，均未超過上限10%，下限不超過20%。因此在考慮高墩柱新澆混凝土對模板設(shè)計(jì)最大側(cè)壓力調(diào)整系數(shù)、應(yīng)綜合考慮到結(jié)構(gòu)所處環(huán)境、結(jié)構(gòu)安全等級(jí)、施工工藝和質(zhì)量要求，以及設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)等因素來決定。因此，建議可采用0.90～0.95，當(dāng)結(jié)構(gòu)處于交通繁忙地段可取大值，其余均可取小值。