自密實(shí)混凝土模板側(cè)壓力試驗(yàn)研究*

史曉婉 龔 劍 佘遜克

1.上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080 2.上海高大結(jié)構(gòu)高性能混凝土工程技術(shù)研究中心 上海 201114

1 研究背景

近年來，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，高層建筑不斷涌現(xiàn)，混凝土性能不斷提高。隨著各種外加劑的發(fā)展，混凝土性能也得以更好地控制，泵送澆筑成為混凝土現(xiàn)場(chǎng)施工的主要方式，這也使得現(xiàn)行規(guī)范中模板側(cè)壓力計(jì)算公式不斷修正。

現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》（GB 50666—2011）模板側(cè)壓力的計(jì)算公式是在原國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》（GB 50204—1992）公式的基礎(chǔ)上，對(duì)坍落度調(diào)整系數(shù)β進(jìn)行修正得出的[1]。然而，當(dāng)混凝土流動(dòng)性能較好、澆筑速度較快時(shí)，根據(jù)規(guī)范公式，模板側(cè)壓力往往需要按照液體靜壓力來計(jì)算，而實(shí)際工程中，按照液體靜壓力計(jì)算結(jié)果來設(shè)計(jì)模板會(huì)使模板增加豎肋和圍檁，可能會(huì)難以滿足構(gòu)造需要。

為方便施工和節(jié)約成本，現(xiàn)場(chǎng)的工程師通常會(huì)根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)來設(shè)計(jì)模板，這種做法在節(jié)省材料的同時(shí)也帶來了施工隱患，許多爆模、脹模事故均是由此導(dǎo)致的。所以，準(zhǔn)確、實(shí)用的模板側(cè)壓力計(jì)算公式或者規(guī)范條文是迫切需要的。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)內(nèi)容

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康?，本試?yàn)采用0.40 m×0.40 m×10 m、0.50 m×0.60 m×5 m兩種試驗(yàn)柱作為試驗(yàn)對(duì)象。高10 m的試驗(yàn)柱主要用來測(cè)試高速狀態(tài)下的澆筑以及分段澆筑；高5 m的試驗(yàn)柱主要用來測(cè)試常規(guī)速度下的澆筑。本試驗(yàn)將從以下四方面進(jìn)行[2,3]：

1）自密實(shí)混凝土高澆筑速度對(duì)模板側(cè)壓力影響測(cè)試（試驗(yàn)1：高10 m試驗(yàn)柱泵送澆筑）；

2）自密實(shí)混凝土常規(guī)速度澆筑對(duì)模板側(cè)壓力影響測(cè)試（試驗(yàn)2：高10 m試驗(yàn)柱分段澆筑）；

3）自密實(shí)混凝土分段澆筑對(duì)模板側(cè)壓力影響測(cè)試（試驗(yàn)3：高5 m試驗(yàn)柱常規(guī)速度無沖擊荷載澆筑）；

4）沖擊荷載對(duì)模板側(cè)壓力的影響測(cè)試（試驗(yàn)4：高5 m試驗(yàn)柱常規(guī)速度有沖擊荷載澆筑）。

本試驗(yàn)將采用坍落擴(kuò)展度為700 mm±50 mm的自密實(shí)混凝土，配合比如表1所示。

表1 自密實(shí)混凝土配合比

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

本次進(jìn)行的試驗(yàn)主要以壓力傳感器（壓力計(jì)）為主要測(cè)試傳感器，如圖1所示。壓力傳感器的布置在高10 m試驗(yàn)柱和高5 m試驗(yàn)柱上有所區(qū)別，做高10 m試驗(yàn)柱是為了驗(yàn)證傳感器的精度和穩(wěn)定性，所以在同一個(gè)標(biāo)高處安裝了2個(gè)壓力計(jì)，做高5 m試驗(yàn)柱時(shí)就將壓力傳感器布置在各個(gè)不同標(biāo)高。

圖1 壓力計(jì)

3 試驗(yàn)測(cè)試

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)準(zhǔn)備工作包括模板與腳手架設(shè)計(jì)，試驗(yàn)場(chǎng)地清理平整，鋼管腳手架搭設(shè)，試驗(yàn)設(shè)備連接、保護(hù)、調(diào)試、安裝，鋼筋籠綁扎，模板安裝，混凝土配制與性能測(cè)試等。

3.2 試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 試驗(yàn)參數(shù)

3.3 模板設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)將采用常規(guī)木模板系統(tǒng)。模板面板采用厚18 mm黑模板，豎肋采用60 mm×120 mm美松，圍檁采用雙拼6.30#槽鋼，對(duì)拉螺栓采用φ20 mm高強(qiáng)螺桿，底模采用厚8 mm鋼板，與面板接觸面處刷油以減小摩擦力，同時(shí)在面板與面板接觸的地方釘上鐵皮，將摩擦力降到最低，模板設(shè)計(jì)由PKPM驗(yàn)算通過。模板平面如圖2所示[4,5]。

圖2 模板平面示意

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 混凝土高澆筑速度下模板側(cè)壓力測(cè)試

試驗(yàn)1取統(tǒng)一標(biāo)高處壓力計(jì)增量平均值作為分析樣本，將其與理論上的最大值——液體靜壓力作對(duì)比，如圖3、圖4所示。

圖3 標(biāo)高0.35 m處壓力計(jì)

圖4 標(biāo)高1.20 m處壓力計(jì)

標(biāo)高為0.35 m的壓力盒理論最大側(cè)壓力為：F=γcH=231.60 kN/m2，試驗(yàn)測(cè)出最大值為208.16 kPa，為理論值的89.80%。

標(biāo)高為1.20 m的壓力盒理論最大側(cè)壓力為：F=γcH=211.20 kN/m2，試驗(yàn)測(cè)出最大值為187.99 kPa，為理論值的89.00%。

自密實(shí)混凝土在高澆筑速度條件下，澆筑完成后，底部的混凝土尚未具備自立性，呈完全流體狀態(tài)，導(dǎo)致混凝土對(duì)模板的側(cè)壓力接近于液體靜壓力[6]。

4.2 混凝土常規(guī)澆筑速度下模板側(cè)壓力測(cè)試

根據(jù)試驗(yàn)4的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來分析澆筑速度為5 m/h的自密實(shí)混凝土對(duì)模板的側(cè)壓力，標(biāo)高0.30 m處壓力計(jì)與理論液體靜壓力值對(duì)比見圖5，所有壓力計(jì)模板側(cè)壓力最大值與其理論液體靜壓力值對(duì)比見圖6。

圖5 標(biāo)高0.30 m處壓力計(jì)

圖6 壓力計(jì)數(shù)據(jù)整體分布

標(biāo)高為0.30 m的壓力盒理論最大側(cè)壓力為：F=γcH=112.80 kN/m2。

將試驗(yàn)結(jié)果與試驗(yàn)1的結(jié)果相比較可以發(fā)現(xiàn)，常規(guī)澆筑速度與高速澆筑相比，自密實(shí)混凝土對(duì)模板的側(cè)壓力有所下降，但是下降的幅度有限，澆筑速度從126 m/h下降到了5 m/h，而最大側(cè)壓力只減少了20%。

試驗(yàn)測(cè)得最大側(cè)壓力為78.40 kPa，為液體靜壓力的69.50%，壓力計(jì)計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 試驗(yàn)4壓力計(jì)計(jì)算結(jié)果

4.3 自密實(shí)混凝土分段澆筑模板側(cè)壓力測(cè)試

根據(jù)試驗(yàn)2的試驗(yàn)結(jié)果來分析分段澆筑對(duì)模板側(cè)壓力的影響，標(biāo)高1.20 m處的壓力計(jì)平均值的時(shí)間-壓力曲線如圖7所示。

圖7 標(biāo)高1.20 m處壓力計(jì)

由圖7可以看出，分段澆筑對(duì)降低最大側(cè)壓力的作用比較顯著，上半段澆筑最大側(cè)壓力與下半段澆筑最大側(cè)壓力相差不大[7]。

4.4 沖擊荷載對(duì)模板側(cè)壓力的影響測(cè)試

根據(jù)試驗(yàn)3與試驗(yàn)4的結(jié)果對(duì)比來分析沖擊荷載對(duì)模板側(cè)壓力的影響。試驗(yàn)3與試驗(yàn)4的試驗(yàn)參數(shù)除了澆筑方式以外全部相同。試驗(yàn)3、試驗(yàn)4的標(biāo)高0.30 m和0.75 m處壓力計(jì)的時(shí)間-壓力曲線如圖8、圖9所示。

圖8 標(biāo)高0.30 m處壓力計(jì)

圖9 標(biāo)高0.75 m處壓力計(jì)

2個(gè)不同標(biāo)高處的壓力計(jì)的壓力曲線形式是非常相似的，標(biāo)高0.30 m處液體靜壓力為112.80 kPa，測(cè)試3最大側(cè)壓力為96.70 kPa，為液體靜壓力的85.70%，測(cè)試4最大側(cè)壓力為78.40 kPa，為液體靜壓力的69.50%；標(biāo)高0.75 m處液體靜壓力為102 kPa，測(cè)試3最大側(cè)壓力為87.93 kPa，為液體靜壓力的86.20%，測(cè)試4最大側(cè)壓力為71.24 kPa，為液體靜壓力的69.80%。

由上述分析可知，無沖擊荷載澆筑相比有沖擊荷載澆筑可以降低15%以上的側(cè)壓力[8]。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

1）當(dāng)自密實(shí)混凝土澆筑存在較大的沖擊荷載時(shí)，其對(duì)模板側(cè)壓力影響較大，導(dǎo)致澆筑速度對(duì)模板側(cè)壓力的影響不明顯；

2）泵送自密實(shí)混凝土澆筑速度過大時(shí)，對(duì)模板有沖擊荷載，建議按液體靜壓力計(jì)算其模板側(cè)壓力；

3）常規(guī)速度澆筑自密實(shí)混凝土，如果不采取措施降低沖擊荷載，建議按液體靜壓力計(jì)算其模板側(cè)壓力，當(dāng)澆筑不產(chǎn)生或者僅產(chǎn)生微量的沖擊荷載時(shí)，模板側(cè)壓力將比液體靜壓力下降30%；

4）采用分段澆筑的方式可有效降低自密實(shí)混凝土對(duì)模板的側(cè)壓力，降低程度與分段方式有關(guān)，平均可降低30%左右。

5.2 建議

1）試驗(yàn)時(shí)獲取的數(shù)據(jù)為所有影響因素對(duì)側(cè)壓力效應(yīng)的綜合，建議將混凝土自身對(duì)模板的側(cè)壓力（應(yīng)理解為混凝土因其自身內(nèi)摩擦力不足而產(chǎn)生的對(duì)模板的擠壓力）與沖擊荷載等引起的附加側(cè)壓力分開計(jì)算；

2）限制混凝土澆筑時(shí)自由落體的高度，高度過大時(shí)建議使用溜槽或串筒；

3）建議分層、分段澆筑自密實(shí)混凝土柱。