不同規(guī)范對現(xiàn)澆混凝土結構側模板水平荷載規(guī)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(jù)各行業(yè)標準、規(guī)范的規(guī)定，先計算或確定荷載標準值、分項系數(shù)，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(xiàn)澆施工技術規(guī)程》(TB 10110—2011，以下簡稱“鐵支規(guī)”)、《建筑施工模板安全技術規(guī)范》(JGJ 162—2008以，下簡稱“建模規(guī)”)對荷載種類，側模板水平荷載的分項系數(shù)、標準值的確定、荷載效應組合表達式做了詳盡規(guī)定，而《公路橋涵施工技術規(guī)范》(JGT/T 3650—2020)規(guī)定模板、支撐的結構設計可采用建模規(guī)相應規(guī)定[3]，且不是強制條文，對荷載組合的規(guī)定又與鐵支規(guī)一致。由于不同行業(yè)的建筑結構既有相似之處，結構構造又有較大區(qū)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(qū)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(wěn)定性差，存在安全隱患。因此有必要梳理不同行業(yè)規(guī)范對現(xiàn)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(guī)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(guī)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(yè)起吊工器具到混凝土灌注工作面，有可能出現(xiàn)撞擊模板的偶然沖擊荷載，但出現(xiàn)對模板抗傾覆不利得概率很小。

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

2 荷載標準值計算

2.1 鐵支規(guī)對新澆混凝土側模水平荷載標準值計算的規(guī)定

鐵支規(guī)規(guī)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(xiàn)場測試初凝時間在8 h左右；k1為外加劑修正系數(shù)；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(shù)；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?；炷脸跄龝r間受混凝土入模溫度、環(huán)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(xiàn)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(xiàn)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(guī)規(guī)定入模溫度采用現(xiàn)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(guī)定流程報審，因此在編制方案時，入模溫度只能根據(jù)項目現(xiàn)場環(huán)境、類似工程經(jīng)驗確定，如果在項目現(xiàn)場區(qū)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?；炷寥肽囟仁茼椖克诘赜?、施工環(huán)境溫度影響較大，在冬季高寒地區(qū)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(jié)考慮15 ℃、夏季一般地區(qū)20、熱帶地區(qū)夏季施工不得高于25 ℃，否則需要采取降溫技術措施。統(tǒng)計分析鐵路工程C35混凝土入模溫度數(shù)據(jù)，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(jù)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(jù)自己的工作經(jīng)驗確定，在編制方案階段，基礎數(shù)據(jù)的確定，也存在與實際偏差較大的幾率，因此提前在項目現(xiàn)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(xiàn)行規(guī)范的合理性。

鐵支規(guī)未明確新澆混凝土模板水平荷載標準值的分布，這是規(guī)范使用者的盲點。

2.2 建模規(guī)對新澆混凝土側模水平荷載標準值計算的規(guī)定

建模規(guī)規(guī)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(guī)范未做規(guī)定，其它符號與前述公式同。

混凝土初凝時間t0可現(xiàn)場試驗確定，無試驗數(shù)據(jù)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(fā)現(xiàn)，采用自然對數(shù)表達兩變量之間函數(shù)關系，相關性最強，兩變量之間也可用t0=-3.427ln(T)+16.171對數(shù)函數(shù)表示，相關系數(shù)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(huán)境溫度影響，施工現(xiàn)場常根據(jù)環(huán)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(xiàn)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(shù)關系準確表達其相關性，因此鐵規(guī)并沒有采納本公式。

按建模規(guī)規(guī)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(guī)規(guī)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(guī)對側模其它水平荷載的取值規(guī)定與計算表達式

①振搗混凝土產(chǎn)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(shù)，μz為風壓高度變化系數(shù)，ω0為基本風壓，kN/m2，當無設計規(guī)定時，按《建筑結構荷載規(guī)范》(GB 50009)規(guī)定采用，目前該規(guī)范最新版為GB50009—2012。

本規(guī)范未規(guī)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(chǎn)生的水平荷載原因。

(2)建模規(guī)對側模其它水平荷載取值規(guī)定與計算表達式

①振搗混凝土產(chǎn)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(chǎn)生的水平荷載標準值Q2，根據(jù)不同的施工工況進行了規(guī)定，具體規(guī)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(guī)定值表

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

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

在計算模板、支架結構的強度、剛度、穩(wěn)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(shù)的乘積，荷載分項系數(shù)不是簡單將設計荷載放大，也不是傳統(tǒng)意義上的安全系數(shù)，它通過一個大于1的系數(shù)，定義荷載的不確定性與結構的可靠度之間的關系，該系數(shù)是基于概率統(tǒng)計計算的結果，安全系數(shù)法只是概率統(tǒng)計系數(shù)近似表達[5]。對于現(xiàn)澆混凝土結構模板水平荷載的分析系數(shù)，鐵支規(guī)均將水平荷載劃分為可變荷載，荷載分項系數(shù)1.4，建模規(guī)水平荷載的分類與分項系數(shù)具體規(guī)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(tài)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(tài)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(guī)與建模規(guī)對荷載效應組合表達式的規(guī)定存在差異，究其原因，應該是建筑行業(yè)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(yè)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(shù)表

(1)基本組合

建模規(guī)規(guī)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(shù)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(guī)范》(GB 50009)第3.2.3條第一款有差異。

鐵規(guī)規(guī)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(guī)范》(GB 50009)第3.2.3條第一款規(guī)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(guī)未對其說明，也未具體規(guī)定可變荷載的組合值系數(shù)。式中SQ1為主導可變荷載，ΨJ為其它可變荷載的組合值系數(shù)，具體取值未做規(guī)定，J>1。

由此可見基本組合，兩本規(guī)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(guī)規(guī)定：S=SG，即為永久荷載標準值組合；鐵支規(guī)規(guī)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(shù)。

3.3 側模的水平荷載組合表達式及其值計算

按鐵支規(guī)規(guī)定計算模板及支撐的強度、剛度、穩(wěn)定性時，其荷載效應組合表達式不組合傾倒混凝土產(chǎn)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(wěn)定性采用基本組合：0.9×1.4ωk，本條為鐵支規(guī)特別規(guī)定[3]。

按建模規(guī)的規(guī)定在計算模板及支撐的強度時采用基本組合，并根據(jù)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(chǎn)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(chǎn)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(shù)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(guī)未規(guī)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(guī)未對模板的穩(wěn)定工況規(guī)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(guī)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(guī)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(guī)、建模規(guī)對現(xiàn)澆混凝土側模水平荷載的分類、標準值與設計值、分項系數(shù)、荷載組合等規(guī)定的分析比較，作者認為兩部規(guī)范主要存在以下差異。

(1)規(guī)范對水平荷載主荷載標準值的計算、其它荷載的取值規(guī)定基本是相同，但按鐵支規(guī)定水平荷載的基本組合值大于建模規(guī)，原因在于新澆混凝土側壓力產(chǎn)生的水平荷載的分類不同，同時鐵支規(guī)又規(guī)定了標準值的最小值；振搗混凝土產(chǎn)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(guī)根據(jù)不同的結構尺寸，規(guī)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(guī)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(xiàn)混凝土初擬現(xiàn)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(shù)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(shù)據(jù)的測試研究，驗證現(xiàn)有規(guī)定、優(yōu)化或重新建立水平荷載的計算模型，為規(guī)范的修編提高工程案例與數(shù)據(jù)，推進建設領域施工技術不斷進步。