自密實混凝土模板側壓力試驗研究*

史曉婉 龔 劍 佘遜克

1.上海建工集團股份有限公司 上海 200080 2.上海高大結構高性能混凝土工程技術研究中心 上海 201114

1 研究背景

近年來，隨著中國經濟的快速發展，高層建筑不斷涌現，混凝土性能不斷提高。隨著各種外加劑的發展，混凝土性能也得以更好地控制，泵送澆筑成為混凝土現場施工的主要方式，這也使得現行規范中模板側壓力計算公式不斷修正。

現行國家標準《混凝土結構工程施工規范》（GB 50666—2011）模板側壓力的計算公式是在原國家標準《混凝土結構工程施工質量驗收規范》（GB 50204—1992）公式的基礎上，對坍落度調整系數β進行修正得出的[1]。然而，當混凝土流動性能較好、澆筑速度較快時，根據規范公式，模板側壓力往往需要按照液體靜壓力來計算，而實際工程中，按照液體靜壓力計算結果來設計模板會使模板增加豎肋和圍檁，可能會難以滿足構造需要。

為方便施工和節約成本，現場的工程師通常會根據工程經驗來設計模板，這種做法在節省材料的同時也帶來了施工隱患，許多爆模、脹模事故均是由此導致的。所以，準確、實用的模板側壓力計算公式或者規范條文是迫切需要的。

2 試驗方案

2.1 試驗內容

根據試驗目的，本試驗采用0.40 m×0.40 m×10 m、0.50 m×0.60 m×5 m兩種試驗柱作為試驗對象。高10 m的試驗柱主要用來測試高速狀態下的澆筑以及分段澆筑；高5 m的試驗柱主要用來測試常規速度下的澆筑。本試驗將從以下四方面進行[2,3]：

1）自密實混凝土高澆筑速度對模板側壓力影響測試（試驗1：高10 m試驗柱泵送澆筑）；

2）自密實混凝土常規速度澆筑對模板側壓力影響測試（試驗2：高10 m試驗柱分段澆筑）；

3）自密實混凝土分段澆筑對模板側壓力影響測試（試驗3：高5 m試驗柱常規速度無沖擊荷載澆筑）；

4）沖擊荷載對模板側壓力的影響測試（試驗4：高5 m試驗柱常規速度有沖擊荷載澆筑）。

本試驗將采用坍落擴展度為700 mm±50 mm的自密實混凝土，配合比如表1所示。

表1 自密實混凝土配合比

2.2 試驗設備

本次進行的試驗主要以壓力傳感器（壓力計）為主要測試傳感器，如圖1所示。壓力傳感器的布置在高10 m試驗柱和高5 m試驗柱上有所區別，做高10 m試驗柱是為了驗證傳感器的精度和穩定性，所以在同一個標高處安裝了2個壓力計，做高5 m試驗柱時就將壓力傳感器布置在各個不同標高。

圖1 壓力計

3 試驗測試

3.1 試驗準備

試驗準備工作包括模板與腳手架設計，試驗場地清理平整，鋼管腳手架搭設，試驗設備連接、保護、調試、安裝，鋼筋籠綁扎，模板安裝，混凝土配制與性能測試等。

3.2 試驗參數

試驗相關參數如表2所示。

表2 試驗參數

3.3 模板設計

本試驗將采用常規木模板系統。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，對拉螺栓采用φ20 mm高強螺桿，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，模板設計由PKPM驗算通過。模板平面如圖2所示[4,5]。

圖2 模板平面示意

4 試驗結果與分析

4.1 混凝土高澆筑速度下模板側壓力測試

試驗1取統一標高處壓力計增量平均值作為分析樣本，將其與理論上的最大值——液體靜壓力作對比，如圖3、圖4所示。

圖3 標高0.35 m處壓力計

圖4 標高1.20 m處壓力計

標高為0.35 m的壓力盒理論最大側壓力為：F=γcH=231.60 kN/m2，試驗測出最大值為208.16 kPa，為理論值的89.80%。

標高為1.20 m的壓力盒理論最大側壓力為：F=γcH=211.20 kN/m2，試驗測出最大值為187.99 kPa，為理論值的89.00%。

自密實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，導致混凝土對模板的側壓力接近于液體靜壓力[6]。

4.2 混凝土常規澆筑速度下模板側壓力測試

根據試驗4的試驗數據來分析澆筑速度為5 m/h的自密實混凝土對模板的側壓力，標高0.30 m處壓力計與理論液體靜壓力值對比見圖5，所有壓力計模板側壓力最大值與其理論液體靜壓力值對比見圖6。

圖5 標高0.30 m處壓力計

圖6 壓力計數據整體分布

標高為0.30 m的壓力盒理論最大側壓力為：F=γcH=112.80 kN/m2。

將試驗結果與試驗1的結果相比較可以發現，常規澆筑速度與高速澆筑相比，自密實混凝土對模板的側壓力有所下降，但是下降的幅度有限，澆筑速度從126 m/h下降到了5 m/h，而最大側壓力只減少了20%。

試驗測得最大側壓力為78.40 kPa，為液體靜壓力的69.50%，壓力計計算結果如表3所示。

表3 試驗4壓力計計算結果

4.3 自密實混凝土分段澆筑模板側壓力測試

根據試驗2的試驗結果來分析分段澆筑對模板側壓力的影響，標高1.20 m處的壓力計平均值的時間-壓力曲線如圖7所示。

圖7 標高1.20 m處壓力計

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

4.4 沖擊荷載對模板側壓力的影響測試

根據試驗3與試驗4的結果對比來分析沖擊荷載對模板側壓力的影響。試驗3與試驗4的試驗參數除了澆筑方式以外全部相同。試驗3、試驗4的標高0.30 m和0.75 m處壓力計的時間-壓力曲線如圖8、圖9所示。

圖8 標高0.30 m處壓力計

圖9 標高0.75 m處壓力計

2個不同標高處的壓力計的壓力曲線形式是非常相似的，標高0.30 m處液體靜壓力為112.80 kPa，測試3最大側壓力為96.70 kPa，為液體靜壓力的85.70%，測試4最大側壓力為78.40 kPa，為液體靜壓力的69.50%；標高0.75 m處液體靜壓力為102 kPa，測試3最大側壓力為87.93 kPa，為液體靜壓力的86.20%，測試4最大側壓力為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%以上的側壓力[8]。

5 結論與建議

5.1 結論

1）當自密實混凝土澆筑存在較大的沖擊荷載時，其對模板側壓力影響較大，導致澆筑速度對模板側壓力的影響不明顯；

2）泵送自密實混凝土澆筑速度過大時，對模板有沖擊荷載，建議按液體靜壓力計算其模板側壓力；

3）常規速度澆筑自密實混凝土，如果不采取措施降低沖擊荷載，建議按液體靜壓力計算其模板側壓力，當澆筑不產生或者僅產生微量的沖擊荷載時，模板側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混凝土對模板的側壓力，降低程度與分段方式有關，平均可降低30%左右。

5.2 建議

1）試驗時獲取的數據為所有影響因素對側壓力效應的綜合，建議將混凝土自身對模板的側壓力（應理解為混凝土因其自身內摩擦力不足而產生的對模板的擠壓力）與沖擊荷載等引起的附加側壓力分開計算；

2）限制混凝土澆筑時自由落體的高度，高度過大時建議使用溜槽或串筒；

3）建議分層、分段澆筑自密實混凝土柱。