混凝土模板侧压力公式对比分析.docx

混凝土模板侧压力公式对比分析张文学李增银刘龙( 北京工业大学建筑工程学院，北京 100124)摘 要: 模板工程在混凝土施工中占有较大的比例，然而近年来模板事故频发，造成较大的人员伤亡及 财产损失，这不完全是由于施工操作不当所致，还与目前相关混凝土模板侧压力设计标准取值不合理有关。 以某工程为背景，从环境温度、混凝土坍落度、初凝时间和浇筑速度等参数对混凝土模板侧压力的影响对国 内外不同计算公式进行对比分析，从中揭示目前混凝土模板侧压力设计计算中存在的问题，以引起工程界 重视。关键词: 模板; 侧压力; 坍落度; 浇筑速度; 初凝时间DOI: 10. 13204 / j gyjz201407027COMPAISON AND ANALYSIS ON LATEAL PESSUE OF CONCETE FOMWOK FOM DIFFEENT FOMULASZhang Wenxue Li Zengyin Liu Long( College of Architecture and Civil Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)Abstract: Formwork accounts for a large proportion of concrete construction，in recent years accidents occur frequently on concrete formwork，resulting in greater casualties and property losses This is not entirely due to improper construction operations，but also related to the unreasonable values in current standards on lateral pressure of concrete formwork With an engineering project as the background，comparative studying of different formulas at home and abroad is done mainly from the effects of ambient temperature，concrete slump，initial setting time and pouring speed on the lateral pressure of concrete formwork ，which reveals the problems involving calculation of lateral pressure of concrete formwork，in order to arouse attention of the engineering circlesKeywords: concrete formwork; lateral pressure; concrete slump; casting rate; initial setting time近年来在混凝土施工中因模板侧压力问题引起 的工程事故频发，如 2007 年 9 月 9 日福建省福州福 清市龙江特大桥 11 号墩在混凝土浇注时墩身模板 崩开，导致正在施工作业的 3 名作业人员坠落死亡; 2008 年 4 月 12 日富湾大桥工程发生桥墩模板爆裂 事故，大桥 51 号墩浇注混凝土时模板发生爆裂，击 中正在施工的 5 名工人，导致 1 死 1 失踪，3 人受 伤; 2008 年 1 月 2 日合肥某建筑工地发生模板坍塌 事故，正在浇注混凝土的十多人被埋，造成 12 人受 伤，1 人死亡; 2011 年 12 月 4 日合肥置地广场栢悦 中心 2 号楼外墙进行混凝土浇注过程中，有两处墙 体竖向模板出现较大面积胀模，造成严重质量问题。造成以上工程事故的原因不仅是施工操作不 当，而且与目前混凝土模板侧压力计算方法不完善 有关。国内外相关标准对混凝土模板侧压力计算的 规定差异较大，考虑的因素也不尽相同，且制定标准 的试验年代相对久远。如今混凝土的工作性能与传统混凝土相比发生了较大的变化，混凝土的浇注方 式及速度都与以前有所不同，所以原标准采用的计 算式是否适用于现在工程还有待考证。本文以国内 外常用的混凝土模板侧压力计算规范或施工手册为 分析对象，以某工程实例为依托，进行模板侧压力对 比分析，揭示目前相关混凝土模板侧压力计算式中 存在的问题，以便引起相关部门的重视。1 相关计算式简介1) JGJ 1622008建筑施工模板安全技 术规 范14. 1. 1 条规定: 当采用内部振捣器，新浇筑的 混凝土作用于模板的侧压力标准值可按下列算式计 算，并取其中的较小值:第一作者: 张文学，男，1975 年出生，博士，副教授。 电子信箱: zhwx bjut edu cn收稿日期: 2014 02 24132 Industrial Construction Vol. 44，No. 7，2014工业建筑 2014 年第 44 卷第 7 期 1 F = 0. 22c t0 1 2 v 2( 1)于 180 mm 时，侧压力的标准值可按式( 4) 计算。F = c H( 2)其中t0 = 200 / ( T + 15)式中: 为混凝土的重力密度，kN / m3 ; t 为新浇混c0凝土的初凝时间，h; T 为混凝土的温度; 1 为外加剂 影响修正系数，不掺外加剂取 1. 0，掺具有缓凝作用 的外加剂取 1. 2; 2 为混凝土坍落度影响修正系数， 当坍落度小于30 mm 时取 0. 85，当 坍落度为 50 90 mm时取 1. 00，当 坍落度为 110 150 mm 时取1. 15; v 为混凝土浇注速度，m / h; H 为混凝土侧压力 计算位置至新浇混凝土顶面的总高度，m。JGJ 1622008 的模板侧压力算式与 GB 50204 92混凝土结构工程施工及验收规范中的相同，是 以流体静压力原理为基础，并结合浇注速度与侧压 力的国内试验结果而建立的，考虑了不同密度混凝 土凝结时间、坍落度和掺缓凝剂的影响等因素。它 适用于浇注速度在 6 m / h 以下的普通混凝土及轻骨 料混凝土，并规定了振捣混凝土时产生的荷载标准 值，对水平面模板采用 2 kN / m2 ，对垂直面模板采用 4 kN / m2 ，作用范围在新浇筑混凝土侧压力有效压 头高度内。JTJ 0412000公路桥涵施工技术规 范2与之规定相同。2) GB 506662011混凝土结构工程施工规 范3附录 A 0. 4 规定: 当采用插入式振动器且浇 注速度不大于 10 m / h、混凝土坍落度不大于180 mm 时，新浇筑混凝土对模板侧压力的标准值可按下列 算式分别计算，并应取其中的较小值。 1 式中: 为混凝土坍落度影响修正系数，当坍落度介于 50 90 mm 时取 0. 85; 当坍落度介于90 130 mm时取 0. 9，当坍落度介于 130 180 mm 时取 1. 0; 其余符号与式( 1) 和式( 2) 相同。该计算式是以 GB 5020492混凝土结构工程 施工及验收规范中的计算式按坍落度 150 mm 左 右作为基础进行修正，并对比参考国外标准将浇注 速度限定在 10 m / h 以下。修正时，针对如今在混凝 土中普遍添加外加剂的实际状况，省略了原 1 的外 加剂影响修正系数，把它统一考虑在计算式中，用一 个坍落度系数 做修正。该式主要考虑混凝土坍落 度、初凝时间及浇注速度对模板侧压力的影响。3) 路桥施工计算手册4( 简称“手册”) 采用 内部振捣器时，对于竖直模板且混凝土浇注速度在 6 m / h 以下时，作用于侧模的最大模板侧压力为:pm = Kh( 5)其中: 当 v / T0. 035 时，有效压头高度 h = 0. 22 + 24. 9v / T; 当 v / T 0. 035 时，h = 1. 53 + 3. 8v / T。 式中: T 为混凝土入模时的温度， ; K 为外加剂影响 修正系数，不加时 K = 1. 0，掺缓凝剂时K = 1. 2; v 为混 凝土浇注速度，m / h; 为混凝土重力密度，kN / m3 。除此之外该“手册”中还给出了泵送混凝土浇 注施工时模板侧压力的计算公式、采用外部振动器 时混凝土模板侧压力计算公式和倾斜模板混凝土模 板侧压力计算公式。4) TZ 2102005铁路混凝土工程施工技术指5F = 0. 28c t0 v 2( 3)F = c H( 4)其中: 当浇注速度大于 10 m / h，或混凝土坍落度大南 ( 简称“指南”) : 新浇混凝土对模板的侧压力可按表 1 的规定计算，振捣时混凝土对模板的侧压 力按 2. 0 kPa 计算。( 0 0. 57) m / h( 0. 57 0. 81) m / h( 0. 81 1. 80) m / h 1. 80 m / h1大体积及一般混凝土工程19. 019. 072v / ( v + 1. 6)72v / ( v + 1. 6)2柱、墙混凝土工程，坍落度大于 10 cm 或泵19. 061v / ( v + 0. 4)61v / ( v + 0. 4)72v / ( v + 1. 6)3送混凝土一次浇注到顶，并用强力振捣 外部振捣器50. 050. 061v / ( v + 0. 4)72v / ( v + 1. 6)4水下混凝土28 v1)28 v1)28 v1)28 v1)5液压滑升模板72v / ( v + 1. 6)72v / ( v + 1. 6)72v / ( v + 1. 6)72v / ( v + 1. 6)序号施工条件表 1 浇注混凝土模板侧压力Table 1 Lateral pressure of concrete formwork混凝土不同浇注速度下的模板侧压力 / MPa注 1) v 为浇注速度，m / h，且 v0. 25 m / h。“指南”按施工条件将模板侧压力的计算式分为 5 类，主要根据浇注速度的影响给出不同的计算式， 没有考虑混凝土初凝时间和环境温度的影响，对混凝 土坍落度的考虑也仅仅是以 100 mm 为界，没有给出 相应 的 修 正 系 数。而“指 南”( 铁 建 设2010241号) 6却删除了新浇混凝土模板侧压力计算部分。5) 美 国 ACI 34704Guide to Formwork for Concrete7: 当混凝土坍落度不大于 175 mm，采用 内部振捣，并且振捣深度不大于 1. 2 m 时，混凝土模 板侧压力可按下列公式计算。对于柱: 按式( 6 ) 计算，且不小于 30CW kPa，不 大于 gh。 785 混凝土坍落度为 120 mm，初凝时间为 6 h，浇注时温 度为 20 。以下系数均根据标准或“手册”取值: JGJ 1622008 中外加剂影响修正系数 1 = 1. 2，混T + 18. 7Pmax = CW CC (7. 2 +)( 6)凝土坍落度影响修正系数 2 = 1. 15; GB 50666对于墙: 当浇注速度小于 2. 1 m / h，且总浇注高度不超过 4. 2 m 时，按式( 6) 计算; 当浇注速度小于2011 中混凝土坍落度影响修正系数 = 0. 9; “手 册”中外加剂影响修正系数 K = 1. 2; ACI 34704 中2. 1 m / h，且总浇注高度超过 4. 2 m 时，按式 ( 7 ) 计混凝土重力密度影响系数 CW= 1. 1，混凝土化学性算; 且不小于 30CW kPa，不大于 gh。质影响系数 CC= 1. 2; CIIA eport No. 108 中与模maxW C ()P= C C7. 2 +( 7)T + 18. 7T + 18. 7板形状和尺寸有关的系数 C1 = 1. 5与混凝土的组1 156224，成材料有关的系数 C2 = 0. 45，温度系数 K = 1. 0。浇式中: 为浇注速度，m / h; CW 为混凝土容重影响系注速度不同时各公式计算出的模板侧压力如图 1 所W数，当重力密度 W 小于 2 240 kg / m3 时，C= 0. 5示，由此可知:()1 + w ，当 W = 2 240 2 400 kg / m3 时，C=2 320WW1. 0，当 W 2 400 kg / m3 时，C= w ; C2 320C为外加剂影响系数，当不掺加缓凝剂时取 1. 0，当掺加缓凝 剂时取 1. 2，当胶凝材料掺加渣或粉煤灰，且同时掺 加缓凝剂时取 1. 4。6) 英国 CIIA eport No. 108Concrete Pressure on Formwork8: 以下两式取最小值:Pmax = D( C1 槡 + C2 K 槡H C1 槡)( 8)Pmax = Dh1( 9)其中，当 C1 槡 H 时，按 F = Dh1 计算。式中: C1 为模板形状及尺寸影响系数，墙模取 1. 0， 柱模取 1. 5; C2 为混凝土材料及外加剂影响修正系 数; D 为混凝土重度，kN / m3 ; 为浇注速度，m / h; K()2C1 JGJ 1622008; C2 GB 506662011; C3 美国 ACI 34704;1“手册”; 2“指南”; 3 英国 CIIA eport No. 108图 1 浇注速度对比示意Fig 1 Comparison of casting rate1) 各算式计算出的混凝土模板侧压力之间存 在较大差异，其中按照英国 CIIA eport No. 108 计为温度修正系数，K = 36 T + 16; T 为混凝土浇注算的侧压力最大，最保守; 而且各算式所计算出的侧 压力结果随混凝土浇注速度的不同而不同，在计算温度， ; H 为结构竖向高度，m; h1 为混凝土这次浇注高度，m。该计算公式给出了模板形状尺寸修正系数和混 凝土材料修正系数，同时考虑环境温度和混凝土浇 注速度等影响因素，但忽略了混凝土坍落度和初凝 时间对侧压力的影响。2不同标准所计算侧压力值的对比0某工程采用 C40 混凝土，混凝土在搅拌站拌 和，使用混凝土搅拌运输车统一运输，浇注混凝土 时采用吊车 + 料斗垂直施工掺加外加剂。以该工 程为背景，对比分析混凝土浇注速 度、坍 落度、初 凝时间和环境温度等参数对混凝土模板侧压力的 影响，分析时统一取混凝土重度 = 25 kN / m3 ，浇注高度 H = h1 = 9 m，具体分析情况如下。2. 1浇注速度影响对比考虑浇注速度对模板侧压力的影响，其余变量:浇注速度范围内，不同算式计算出的侧压力最大相 差近 10 倍。2) 美国 ACI 34704 虽然对浇注速度有所考 虑，但实际侧压力计算结果受浇注速度影响较小，当 混凝土浇注速度较大时，存在混凝土侧压力计算不 足，有引起工程安全事故的可能。3) 虽然其他算式考虑了混凝土浇注速度对模 板侧压力的影响，但其影响规律之间却存在较大的 差 异，当 混 凝 土 浇 注 速 度 为 0. 5 m / h 时，按 JGJ 1622008 计算的侧压力为“指南”计算结果的 64% ，而当混凝土浇注速度为 6 m / h 时，按 JGJ1622008 计算的侧压力却 比“手 册”的 计算结果 高 8% 。2. 2坍落度影响对比考虑混凝土坍落度对模板侧压力的影响，其余 变量: 混凝土初凝时间为 6 h，浇注速度取 2 m / h，浇注时温度为 20 。以下系数均根据标准或“手册” 取值: JGJ 1622008 中外加剂影响修正系数 1 = 1. 2; “手册”中外加剂影响修正系数 K = 1. 2; 美国 ACI 34704 中混凝土重力密度影响系数 CW = 1. 1， 混凝土 化 学 性 质 影 响 系 数 CC = 1. 2; 英 国 CIIA eport No. 108 中与模板形状和尺寸有 关 的 系 数 C1 = 1. 5，与混凝土的组成材料有关的系数 C2 = 0. 45，温度系数 K = 1. 0。混凝土坍落度不同时各算 式计算出的模板侧压力如图 2 所示。C1 JGJ 1622008; C2 GB 506662011; C3 美国 ACI 34704;1“手册”; 2“指南”; 3 英国 CIIA eport No. 108图 2 混凝土坍落度对比示意Fig 2 Comparison of concrete slump1) 只有 JGJ 1622008 和 GB 506662011 考虑了混凝土坍落度对模板侧压力的影响，其余算式 没有考虑，在坍落度相同时，不同算式所计算出的模 板侧压 力 也 存 在 差 异，美 国 ACI 34704 和 英 国 CIIA eport No. 108 计算出的结果相差近 4 倍。2) JGJ 1622008 和 GB 506662011 考虑了混凝土坍落度对模板侧压力的影响，但是对坍落度 影响系数的取值以及划分范围有所不同，这就导致 计算结果存在偏差，如: JGJ 1622008 的计算结果 表明，坍 落 度 为 110 mm 时，侧 压 力 与 坍 落 度 为 150 mm时的侧压力相同，而 GB 506662011 的结 果表明，坍落度为 150 mm 时的侧压力比坍落度为 110 mm 时的侧压力高了 11% 。2. 3 初凝时间影响对比考虑混凝土初凝时间对模板侧压力的影响，其余 变量: 混凝土坍落度为 120 mm，浇注速度取 2 m / h，浇 注时温度为 20 。以下系数均根据标准或“手册”取 值: JGJ 1622008 中外加剂影响修正系数 1 = 1. 2， 混凝土坍落度影响修正系数 2 = 1. 15; GB 50666 2011 中混凝土坍落度影响修正系数 = 0. 9; “手册”中外加剂影响修正系数 K = 1. 2; 美国 ACI 34704 中混凝土重力密度影响系数 CW = 1. 1，混凝土化 学 性 质 影 响 系 数 CC = 1. 2; 英 国 CIIA eportNo. 108 中与模板形状和尺寸有关的系数 C1 = 1. 5， 与混凝土的组成材料有关的系数 C2 = 0. 45，温度系 数 K = 1. 0。混凝土初凝时间不同时各算式计算出 的模板侧压力如图 3 所示。C1 JGJ 1622008; C2 GB 506662011; C3 美国 ACI 34704;1“手册”; 2“指南”; 3 英国 CIIA eport No. 108图 3 混凝土初凝时间对比Fig 3 Comparison of initial setting time1) 只有 JGJ 1622008 和 GB 506662011 考虑了混凝土初凝时间对模板侧压力的影响，其计算 结果表明，模板侧压力与混凝土初凝时间呈线性关 系，模板侧压力随着混凝土初凝时间的增大而增大， 其余算式均没有考虑混凝土初凝时间对模板侧压力 的影响，但计算结果也相差较大。2) JGJ 1622008 和 GB 506662011 所计算出的模板侧压力有偏差，但是模板侧压力的增加速 率却十分相近，当 混凝土初凝 时 间 为 4 h 时，JGJ 1622008 计算的模板侧压力比 GB 506662011 的计算结果高 8% ; 当混凝土初凝时间由 4 h 增大到 10 h 时，JGJ 1622008 和 GB 506662011 的计算结果均增加到原来的 2. 5 倍。2. 4环境温度影响对比考虑混凝土浇注时环境温度对模板侧压力的影 响，其余变量: 混凝土坍落度为 120 mm，浇注速度取 2 m / h，初凝 时间为 6 h。以下系数均根据规范或 “手册”取值: JGJ 1622008 中外加剂影响修正系 数 1 = 1. 2，混凝土坍落度影响修正系数 2 = 1. 15; GB 506662011 中混凝土坍落度影响修正系数 =0. 9; “手册”中外加剂影响修正系数 K = 1. 2; 美国 ACI 34704 中混凝土重力密度影响系数 CW = 1. 1， 混凝土 化 学 性 质 影 响 系 数 CC = 1. 2; 英 国 CIIAeport No. 108 中与模板形状和尺寸有 关 的 系 数C1 = 1. 5，与混凝土的组成材料有关的系数 C2 = 0. 45，环境温度不同时各算式计算出的模板侧压力 如图 4 所示。1) 环境温度相同时，各算式所计算出的混凝土C1 JGJ 1622008; C2 GB 506662011; C3 美国 ACI 34704;1“手册”; 2“指南”; 3 英国 CIIA eport No. 108图 4 环境温度对比Fig 4 Comparison of environment temperature模板侧压力之间存在较大差异，按美国 ACI 347 04 计算的侧压力最小，在温度较低的环境下施工时 可能会引起安全事故，不同算式所计算出的模板侧 压力最大相差近 5 倍。2) 只有“手册”和英国 CIIA eport No. 108 考 虑了环境温度对模板侧压力的影响，但计算的结果 存在较大差异，而且侧压力随环境温度升高而降低 的速率不同，当 环境温度由 5 升高到 30 时， “手册”计算的模板侧压力下降了 42% ，英国 CIIA eport No. 108 的计算结果下降了 61% 。3 结 语本文列举了国内外相关的模板侧压力计算公 式，并以某工程为背景，主要从混凝土坍落度、浇注 速度、初凝时间和环境温度对模板侧压力的影响进 行计算对比，得到如下结论:1) GB 506662011 结合工程实际并通过实测 数据对 JGJ 1622008 进行修正，省略了外加剂影 响系数，但没有考虑环境温度的影响，由以上的对比 可看出，GB 506662011 计算出的结果略小于 JGJ 1622008 的计算结果