西成铁路客运专线四川有限公司 610000
摘要:针对发生的墩台模板爆模事故及墩台模板设计、施工不规范等现象，通过对模板侧压力的大量测试，研究墩台模板侧压力的影响因素，及模板侧压力随时间变化规律，提出了符合当前施工条件下的墩台模板侧压力计算公式，以期指导墩台模板设计，为下一步模板设计标准化奠定基础。
关键词：墩台模板 侧压力数据采集 因素分析
一、引 言
随着混凝土施工机械化程度的提高，施工技术水平和施工效率有了质的飞跃，在混凝土泵送普及的情况下，大大加快了浇筑速度，高性能混凝土具有高流动等特性，使高性能混凝土对模板侧压力与目前现有技术规范的计算结果有偏差，规范中模板侧压力计算方法不易准确取值，导致近年来，时有工地发生了墩身爆模事故。
目前国内有关混凝土模板侧压力计算规范以 1992 年出版的《混凝土结构工程施工及验收规范》(GB50204-92)为基础进行系数和取值修改，最新版的《混凝土结构工程施工规范》(GB50666-2011)所参考的数据条件为坍落度150mm 左右，混凝土的浇筑速度在 10 m/h 以下。按此规范规定，模板最大侧压力限值为 80 KN/m2，认为以此设计绝无大碍，若取 Fm=80 KN/m2、γ=24 KN/m3，混凝土的有效压头h为3.33 m 就是影响桥梁墩柱模板侧压力值的最大有效压头。但是，随着混凝土施工技术水平的快速发展，目前的混凝土性能指标和施工技术已经大为改变，比如，通常采用机械振捣，泵送混凝土，浇筑速度大大提高，初凝时间延长，坍落度一般都在150mm以上。这些混凝土性能指标的改善及施工技术的提高都影响了现浇混凝土对模板的压力，对模板结构和混凝土施工提出了新的要求。
二、西成客专工点模板侧压力测试方案
西成客专位于陕西省和四川省境内，新建线路北起西安枢纽，向南经户县，越秦岭后，经洋县至汉中，经宁强越大巴山后入川，经广元市、剑阁县、青川县后进入江油市，接入在建的成绵乐铁路客运专线，线路全长 508.773km。
（一）、试验墩位选择
通过对各墩台台墩型具体分析，选取修城坝清江河特大桥、清江河大桥以及剑门关大桥三座桥的20个墩位作为测试点。修城坝清江河特大桥跨径组成为：24m+32m+11×48m+3×32m；清江河大桥跨径组成为：24m+32m+32m+24m+（32m+3×48m+32m 连续梁）+2×24m＋3×32m；剑门关大桥跨径组合为：32m+(32m+3×48m+32m 连续梁）+2×32m。20个试验墩位分为三类：一是一次性浇筑成型实心墩柱；二是分段浇筑成型的较高空心墩；三是分段浇筑成型的较高实心墩。
表2 分段浇筑成型空心墩柱试验墩位一览表
图1 双线圆端形实心墩压盒竖向布置示意图
（2）水平布置方式
每一水平测层布置 3 个测点位，分别位于直线段中点、圆弧段中点及直圆交界处，如图2所示。
图3 双线圆端形实心墩压盒竖向布置示意图
（2）水平布置方式
与实心墩布置方案基本相同，每一水平测层布置 3 个测点，分别位于直线段中点、圆弧段中点及直圆交界处，如图4所示。
图4 双线圆端形空心墩压力盒平面布置示意图
（三）、试验工点的施工条件
1.选定的三座桥梁使用西成三标第3号拌和站，该拌和站极限生产能力为 150m 3/h；三座桥实际均采用60型输送泵进行墩柱砼浇筑，单台泵极限输送能力 50m 3/h。
2.三座桥梁在进行分段浇筑墩柱施工时，均采用翻模施工工艺，翻模设计最大单次浇筑高度10米，标准浇筑高度6米。
3.选定的三座桥梁在施工时，对第一种墩型均采用吊车辅助作业，第二、三种墩型大多采用塔式起重机辅助作业。
三、混凝土对模板侧压力的变化机理分析
新拌混凝土是由水泥、粗细集料、矿物掺和料，水和外加剂按一定比例而制得尚未硬化的材料，可以看成是一种由水合分散粒子组成的体系，它具有弹性、黏性、塑性等特征。已有的研究成果运用流变形理论，研究新拌混凝土粘、塑、弹性的演变。
新拌混凝土的流变方程是τ=τo+ηdγ/dt，屈服剪应力于粘度系数是决定新拌混凝土的流变特征的基本参数，屈服剪应力是阻止塑性变形的最大应力。
模板侧压力因为混凝土在水化反应过程中的抗剪强度性能的发展而变化。包括颗粒间的摩擦阻力、咬合力、水泥水化作用产生的颗粒间的连接作用力。新拌混凝土由于屈服应力很小，所以受流动方面的特征所支配，模板的侧压力表现为混凝土黏性流动压力；受颗粒间内摩擦的影响，流动性大，内摩擦小，模板侧压力大。
浇筑后，混凝土进入水泥水化反映的早期，随着混凝土物理化学反应以及化学反应，混凝土的的抗剪应力在增长，当在自重和外力作用下产生的剪切应力小于屈服应力时，新拌混凝土不发生流动，或已流动混凝土将停止流动; 模板侧压力将随水化时间的延续，而减小，这是因为水化产物不断生成，有水化产物结晶生成; 在水化潜伏期结束时，混凝土渐渐失去流动性，模板侧压力下降较大，水化反应达到初凝时间时，进入固相反应阶段，失去塑性，抗剪力达到屈服强度，水化产物加速形成，混凝土开始具有自承载能力，侧压力迅速下降并消失。因此，混凝土模板侧压力下降速度与水化反应的诱导期，初凝时间相关联，新拌混凝土的诱导期、初凝时间长，则混凝土模板侧压力下降速度慢。
外加剂、外掺料以及为水化反应所提供的温度环境条件与混凝土的工作性能有关，影响混凝土的工作性能。不同工作性能的混凝土有不同的屈服应力，混凝土的性能对模板侧压力有直接影响。高性能混凝土具有高流动性，低触变性的特征，触变性低，获得的抗剪强度低，使竖向荷载转变为侧压力。触变性具有可逆性，当混凝土处于不受振动作用的静止条件下，重新恢复触及状态，即抗剪强度，抵抗部分外力应力，减小模板侧压力。
四、影响模板侧压力的因素分析
根据当前混凝土对模板侧压力的计算公式和实际情况分析，影响混凝土的侧压力归纳起来主要有三个方面: 混凝土的工作性能、混凝土的浇筑工艺和状态、模板特征。具体的因影响混凝土对模板侧压力的因素有很多，如水泥的种类和用量、骨料特性、水灰比、化学掺合料、浇筑速度、浇筑方式、模板尺寸等。现有技术规范和标准中关于模板侧压力的计算方法是在实验基础上计算回归的，国内外建筑、公路、铁路等各行业的计算公式各不相同，反应的影响因素项目和修正系数也存在差别，而且均是在一定的限制条件下。现有规范中，侧压力的影响因素主要有混凝土重度、初凝时间、浇筑速度及外加剂和坍落度影响系数等，以《混凝土结构工程施工规范 》(GB-50666-2011)为例，该规范是对《混凝土结构工程施工及验收规范》 (GB50204-92)进行了修正，提出：采用内部振捣器时，新浇筑的混凝土作用于模板的最大侧压力标准值F可按下列公式计算，并应取其中的较小值。
式中：F为新浇筑混凝土对模板的最大侧压力（kN/m2）；γc为混凝土的重力密度（kN/m3）；t0为新浇混凝土的初凝时间（h），可按实测确定；当缺乏试验资料时可采用t0＝200/（T+15）计算，T为混凝土的温度（℃）；??为混凝土坍落度影响修正系数：当坍落度在50mm~90mm 时，β取0.85；坍落度在100mm~130mm 时，β取0.9；坍落度在140mm~180mm 时，β取1.0；??为混凝土浇筑高度（厚度）与浇筑时间的比值，即浇筑速度（m/h）； ?为混凝土侧压力计算位置处至新浇筑混凝土顶面的总高度（m）。
但在目前混凝土施工机械化、自动化程度高的情况下，对于混凝土来说，计算方法考虑的有些因素有过简单，有不适合之处，但如果考虑因素过多，易使参数取值不准，也影响混凝土模板侧压力计算值，有必要对混凝土模板侧压力主要影响因素进行现场试验数据分析验证。
为了全面了解各因素对模板侧压力的影响情况及影响敏感度，现场测试过程中记录了10项因素：1、混凝土浇筑上升速度（v）,按m/h计；2、入模坍落度（mm）；3、容重；4、初凝时间及终凝时间；5、混凝土入模温度（t1），按℃计；6、浇筑时气温（t2），按℃计；7、一次性浇筑高度；8、截面尺寸（测点布置位置的平面尺寸）；9、振捣位置及方式；10、风速，按m/s计，每浇筑一次测一次。
比如经现场测试，修城坝清江河特大桥8#墩同一水平层３个位置处传感器侧压力随时间变化曲线如下图。从图中可以看出，模板的侧向压力随时间逐步增大，达到峰值后，逐渐趋于平缓，而后呈下降趋势。同一层３个位置处侧压力的变化趋势无明显差别，模板设计对各位置可同等考虑。
依据西成客专现场测试数据结果，比较目前规范的侧压力计算公式考虑到的影响因素，分析影响桥墩模板侧压力较为显著和影响特征不同的因素主要有以下几个方面：
（一）、混凝土基本特性
桥梁墩柱的施工是在墩柱钢筋绑扎成型后,安装专门设计的四周闭合的定型模板，然后通过混凝土泵把新拌混凝土泵送到定型模板内振捣成型。因此，新拌混凝土必须具有很好的工作性能，在外力振捣下很快形成塑性流，使新拌混凝土填充到闭合模板的每一处并很好的包裹钢筋和预埋件，使墩柱达到密实、无空洞、无蜂麻、露筋、表面光洁。由此要求新拌混凝土必须要有很好的配合比设计、骨料的级配设计、施工工艺的设计、质量控制的设计，而这些与高墩台柱模板侧压力有极大关联。经现场测试数据分析，体现较为显著的就是新拌混凝土的力学性能，如密度等，很显然，配置砼的密度越大，γc越大，模板侧压力必然就越大。
（二）、混凝土塌落度
新拌混凝土在初凝前，尤其在振捣时，混凝土很快沉陷而液化成流体状态，并在外力持续作用下，成为塑性流。此时，混凝土一边排除体内气体和泌水，一边自由流动，使密集的钢筋和预应力管道及预埋件能被流动的混凝土完全包裹，使墩柱体内无一空洞、蜂麻、其密度达到设计要求。而且，当新拌混凝土在流体状态下，对墩柱模板产生流体静压力，再加上各种外力因素，对模板产生很大的侧压力；当混凝土仍处于初凝时间段内，它始终处于流体状态，其对模板产生的流体静压力值 F 就是墩柱浇筑高度 H 和混凝土重力密度 γ的乘积，即 Fm=Hγ。这是毫无疑问的，问题是这个高度应取多大，取有效压力头 h，还是一次浇筑的全高，需要认真思考的。
混凝土的塌落度是反应其流变特征的重要指标。在以往的公式中，是考虑参加了外加剂后对砼的塌落度进行系数1.2的修正，塌落度的大小对模板侧压力影响是一个定值。而经过现场测试数据分析，在混凝土初凝时间为 6 h，浇注速度取 2 m/h，注时温度为 20 ℃的同等条件下，随着塌落度的增加，对模板侧压力的影响也在增加，而不是一个定值。这也很容易理解，当γc一定时，砼的坍落度越大，说明砼越具有流动性，而越具有流动性的砼，必然对模板的侧压力越大。从力学性能分析，可以将砼塌落度的影响与混凝土内摩擦角联系起来进行表现。
坍落度对侧压力的影响
内摩擦角对侧压力影响曲线
（三）、浇筑高度影响
无论基础、墙体、墩柱在浇筑混凝土时，均是分层浇筑、循环渐近，但当最初浇筑的几层混凝土完成后，继续往上浇筑，并有一定时间间隔。此时最初浇筑的混凝土已逐渐脱离了后续浇筑混凝土振捣作用半径的影响区，但仍处于初凝时间内，终凝尚未开始的时间段内，又由于先浇混凝土在自身水化作用下，流动性受到阻滞逐渐减缓而能“自立”。这样就能阻挡新浇混凝土产生的部分液体静压力，从而减小下部模板的侧压力，也就是更多层浇筑的混凝土底部模板侧压力不能简单的按浇筑全高计算，计算高度应取多大，取有效压头高度 H 还是全高，是需要试验分析和验证的。
侧压力与浇筑高度关系图是选取部分墩台，描述各层测压力最大值随墩台一次性浇筑高度的变化趋势。通过试验数据采集结论分析，一次浇筑高度的变化与模板侧压力成一定的规律关系，如下图所示。
在混凝土坍落度为 120 mm，混凝土初凝时间为 6 h，注时温度为 20 ℃的相同条件下，结合现场测试数据，从图中可以看出，侧压力最大值不一定出现在最底层，对于一次性浇筑高度较高情况，最大值可能出现在第二或第三层，即距离墩台底部2.5~4.5m处，与一次性浇筑高度有关。同时，可以分析，侧压力最大值出现的位置与混凝土初凝时间有关，在浇筑速度不大的情况下，初凝时间较短时，容易出现侧压力最大值不在浇筑最底层。
因此，在砼初凝前，砼的浇筑高度越高，h值越大，对模板的侧压力必须也越大。
浇筑高度与侧压力关系图 浇筑高度与侧压力关系图
（四）、初凝时间
模板侧压力与混凝土初凝时间存在紧密关系，经现场测试数据分析，在混凝土坍落度为160 mm，浇注速度取2 m/h，浇注时温度为20 ℃的相同条件下，在初凝时间和浇筑时间内模板侧压力基本是随着时间增加而线性增加，模板侧压力是随着混凝土初凝时间的增大而增大，而目前有些规范侧压力计算公式中没有考虑混凝土初凝时间对模板侧压力的影响。另外，测试数据没有呈现出侧压力和初凝时间有明显的线性关系，初凝时间对侧压力的具体影响敏感度，需要更多的测试数据综合分析。
实际上砼的初凝时间与砼对模板的侧压力大小没有直接的因果关系。当γc和?以及砼的坍落度都相同时，不同初凝时间的砼是不会影响到砼对模板的侧压力的。
那么砼的初凝时间对模板的侧压力大小产生影响是通过什么表现的呢？经分析，是砼的浇筑速度导致了砼在初凝前的浇筑高度不同而产生了对模板侧压力不同的影响。
初凝时间对侧压力的影响及曲线图
（六）、钢筋密集度对侧压力的影响
桥梁墩柱等均有较密集的钢筋，当开始浇筑混凝土时，钢筋间被更大的混凝土流体静压力把前端混凝土挤压到模板和钢筋之间的空间(保护层)充盈后，密排的钢筋开始阻堵继续而来的混凝土，并分担部分混凝土的流体静压力，从而降低了模板的侧压力值。
同时，经现场测试分析，内部振捣仅在振捣过程中对局部侧压力有影响，对模板侧压力最大值没有影响；泵送和料斗浇筑方式对侧压力最大值影响不明显。
五、结语
（一）、调研国内外相关规范标准对模板侧向压力的计算公式，混凝土坍落度、初凝时间、浇注速度和环境温度对模板侧压力均有不可忽略的影响
。国内外计算公式中，没有公式同时明确给出上述因素的具体影响量值。现行国内规范、技术手册等有关模板侧压力的计算公式，在相同施工条件下的计算差别较大，有必要对模板侧压力计算公式进行修正。
（二）、选择不同类型工点进行墩台模板侧压力测试，测试不影响现场设计、施工进程，可真实反映国内墩台模板施工水平下的模板侧压力大小。测试结果表明：墩台模板侧压力随着浇筑高度的增加呈增大趋势，浇筑到一定高度时，侧压力达到最大值，继续浇筑侧压力开始下降。侧压力的最大值随施工条件和浇筑高度不同而呈现不同规律。
（三）、对大量墩台的测试结果统计表明，侧压力最大值易于出现在距离墩底2.5~4.5m 范围内，与混凝土初凝时间和一次性浇筑高度有关。
（四）、混凝土坍落度、初凝时间、浇筑速度对侧压力具有高度显著影响；而内部振捣仅在振捣过程中对局部侧压力有影响，对模板侧压力最大值没有影响；泵送和料斗浇筑方式对侧压力最大值影响不明显。
（五）、在墩台模板设计、制作、安装等方面，应参考现场测试分析的模板侧压力影响因素，加大安全系数。
综上所述，经过测试，影响砼对模板侧压力大小的影响因素实际上就是两大类：第一类影响因素是砼本身的性能，包括配置砼的容重（密度）、坍落度、初凝时间等；第二类影响因素是对施工过程的控制，包括初凝前的浇筑高度和浇筑砼的速度，实际上这又是同一类的影响，因为浇筑速度的快慢直接就影响了砼初凝前的“一次性”浇筑高度，进而影响到对模板侧压力的大小。
因此，在现场施工过程中，当砼的原材料和配合比容重确定后，在浇筑砼过程中，为了不爆模，要么通过控制砼的坍落度（进而控制砼的流动性）和初凝时间来控制砼对模板的侧压力；要么通过控制砼的浇筑速度进而控制砼初凝前的“一次性”浇筑高度来达到控制砼对模板的侧压力。当因工程需要必须快速完成砼的浇筑时，砼的一次性浇筑高度有可能就会比较大，为了控制在模板能承受的侧压力范围内而不爆模，这个时候就需要合理的减少砼的坍落度和初凝时间；当因工艺需要砼的坍落度较大、初凝时间较长时，为了控制在模板能承受的侧压力范围内而不爆模，这个时候就需要合理的控制浇筑速度减少砼初凝前的“一次性”浇筑高度。
参考文献:
1.《桥梁墩台混凝土对模板侧向压力研究报告》中铁第五勘察设计院集团有限公司；
2.《混凝土结构工程施工质量验收规范》GB50204-2002(2010年版，中国建筑工业出版社；
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论文作者:张宗伟,胡青松,肖霞林
论文发表刊物:《防护工程》2019年12期
论文发表时间:2019/9/9
标签：混凝土论文; 压力论文; 模板论文; 高度论文; 时间论文; 水化论文; 因素论文; 《防护工程》2019年12期论文;