不同規(guī)范對(duì)現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)側(cè)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(tuán)有限公司，廣東 深圳 518054)

0 引 言

模板、支撐的荷載設(shè)計(jì)值是根據(jù)各行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的規(guī)定，先計(jì)算或確定荷載標(biāo)準(zhǔn)值、分項(xiàng)系數(shù)，再按基本組合、標(biāo)準(zhǔn)組合表達(dá)式，確定荷載效應(yīng)的組合設(shè)計(jì)值。目前《鐵路混凝土支架法現(xiàn)澆施工技術(shù)規(guī)程》(TB 10110—2011，以下簡(jiǎn)稱“鐵支規(guī)”)、《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ 162—2008以，下簡(jiǎn)稱“建模規(guī)”)對(duì)荷載種類，側(cè)模板水平荷載的分項(xiàng)系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)值的確定、荷載效應(yīng)組合表達(dá)式做了詳盡規(guī)定，而《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JGT/T 3650—2020)規(guī)定模板、支撐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可采用建模規(guī)相應(yīng)規(guī)定[3]，且不是強(qiáng)制條文，對(duì)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(jié)構(gòu)既有相似之處，結(jié)構(gòu)構(gòu)造又有較大區(qū)別，怎樣準(zhǔn)確理解差別十分重要，如果工程技術(shù)人員未能充分理解、掌握這些區(qū)別，導(dǎo)致模板設(shè)計(jì)不是偏于保守，徒增工程成本，就是強(qiáng)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(duì)現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)側(cè)模的水平荷載設(shè)計(jì)值的計(jì)算方法，分析其不同規(guī)定之間差異原因，讓工程技術(shù)人員更準(zhǔn)確的理解、掌握、使用規(guī)范。

1 荷載分類

作用在結(jié)構(gòu)上的荷載按其作用的時(shí)間屬性，可分為永久荷載、可變荷載、偶然荷載[1]，作用在側(cè)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(duì)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(cè)模水平荷載包括新澆筑混凝土對(duì)側(cè)模產(chǎn)生的壓力荷載、內(nèi)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(fēng)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(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算

2.1 鐵支規(guī)對(duì)新澆混凝土側(cè)模水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算的規(guī)定

鐵支規(guī)規(guī)定，側(cè)模板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安裝加固措施設(shè)計(jì)，其水平荷載分別按式(1)、(2)計(jì)算[2]、[3]，并取兩式的較小值，當(dāng)梁高大于3 m時(shí)，若計(jì)算值<50 kN/m2時(shí)，取50 kN/m2

Pm=0.22γct0k1k2v0.5

(1)

Pm=k1γch0

(2)

式中：Pm為新澆混凝土對(duì)模板的最大側(cè)壓力，kN/m2；γc為素混凝土重度，取24 kN/m3；t0為混凝土初凝時(shí)間，h，目前泵送混凝土塌落度110～180 mm、外摻緩凝劑緩，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試初凝時(shí)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(shí)，取0.85；h=50～90 mm時(shí)，取1.0；h=110～180 mm時(shí)，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(dāng)v/t<0.035時(shí)；h0=0.22+24.9v/t

當(dāng)v/t≥0.035時(shí)；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(cè)模水平荷載值大小，主要受混凝土初凝時(shí)間t0、灌注速度v變化影響較大。混凝土初凝時(shí)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(chǎng)測(cè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)、不同的施工設(shè)備存在較大差別，要準(zhǔn)確確定灌注速度，有必要開展現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與研究。

有效壓頭高度與混凝土灌注速度、入模溫度有關(guān)，鐵規(guī)規(guī)定入模溫度采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定溫度，問題是專項(xiàng)施工技術(shù)方案需要在方案實(shí)施前，按規(guī)定流程報(bào)審，因此在編制方案時(shí)，入模溫度只能根據(jù)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、類似工程經(jīng)驗(yàn)確定，如果在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域有類似結(jié)構(gòu)工程正在施工，可提前測(cè)試混凝土的入模溫度借用。混凝土入模溫度受項(xiàng)目所在地域、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(shù)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(shù)措施。統(tǒng)計(jì)分析鐵路工程C35混凝土入模溫度數(shù)據(jù)，初凝時(shí)間在7～9 h間，在以t0=8 h計(jì)算側(cè)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(shí)間，結(jié)構(gòu)的高度計(jì)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(shí)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(jì)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(shí)間、灌注速度計(jì)算模板水平荷載標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算模板水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值

當(dāng)混凝土入模溫度T=15 ℃、澆筑速度v=0.52 m/h時(shí)，則

v/T=0.52/15≈0.035

h0=1.53+3.8v/T=1.53+3.8×0.035=1.66 m

當(dāng)混凝土入模溫度T=20 ℃、澆筑速度v=0.52 m/h時(shí)，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(jì)算的有效壓頭高度計(jì)算模板水平荷載的標(biāo)準(zhǔn)值有

鑒于模板方案設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)是在工程實(shí)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(yàn)確定，在編制方案階段，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的確定，也存在與實(shí)際偏差較大的幾率，因此提前在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)針對(duì)高大模板結(jié)構(gòu)的混凝土配比，開展混凝土入模溫度的測(cè)試，是十分必要的，對(duì)于研究?jī)?nèi)容，在模板支架方案實(shí)施過程中，可針對(duì)特定條件的混凝土澆筑工程，開展入模溫度、模板側(cè)壓力測(cè)定，驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)值的分布，這是規(guī)范使用者的盲點(diǎn)。

2.2 建模規(guī)對(duì)新澆混凝土側(cè)模水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算的規(guī)定

建模規(guī)規(guī)定的側(cè)模板水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值按公式(1)、(3)計(jì)算[2]。

P2=γcH

(3)

式中：H為計(jì)算位置至新澆筑的混凝土面高度，本位置是否應(yīng)在水泥初凝時(shí)間以內(nèi)，本規(guī)范未做規(guī)定，其它符號(hào)與前述公式同。

混凝土初凝時(shí)間t0可現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定，無試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，按下式t0=200÷(T+15)[1]計(jì)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(duì)數(shù)表達(dá)兩變量之間函數(shù)關(guān)系，相關(guān)性最強(qiáng)，兩變量之間也可用t0=-3.427ln(T)+16.171對(duì)數(shù)函數(shù)表示，相關(guān)系數(shù)R2=0.999 2，為強(qiáng)相關(guān)。但是，由于混凝土的初凝時(shí)間受水泥品種、入模溫度、環(huán)境溫度影響，施工現(xiàn)場(chǎng)常根據(jù)環(huán)境溫度、氣候條件、工藝要求，人為調(diào)整混凝土的初凝時(shí)間，想通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試不同條件下的混凝土入模溫度與初凝時(shí)間，分析兩變量之間的關(guān)系，不但工作量大，而且難以采用函數(shù)關(guān)系準(zhǔn)確表達(dá)其相關(guān)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(shí)間t0=8 h，則模板水平荷載計(jì)算如下

P1=42 kPa

P2=γcH=24×2.6=62.4 kPa

P2計(jì)算值與按鐵規(guī)規(guī)定計(jì)算的結(jié)果比較，當(dāng)混凝土入模溫度T=15 ℃時(shí)，差異較大，當(dāng)入模溫度T=20 ℃的計(jì)算結(jié)果接近。

計(jì)算結(jié)果取小值Pm=P1=42 kPa。

2.3 其它可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值取值

(1)鐵支規(guī)對(duì)側(cè)模其它水平荷載的取值規(guī)定與計(jì)算表達(dá)式

①振搗混凝土產(chǎn)生的水平荷載標(biāo)準(zhǔn)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(cè)模水平荷載。

③風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值ωk=0.7μsμzω0

其中ωk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2，μs為風(fēng)荷載體型系數(shù)，μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，ω0為基本風(fēng)壓，kN/m2，當(dāng)無設(shè)計(jì)規(guī)定時(shí)，按《建筑結(jié)構(gòu)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(duì)側(cè)模其它水平荷載取值規(guī)定與計(jì)算表達(dá)式

①振搗混凝土產(chǎn)生的水平荷載標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)值Q2，根據(jù)不同的施工工況進(jìn)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(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009)相關(guān)規(guī)定計(jì)算，重現(xiàn)期10年，風(fēng)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(biāo)準(zhǔn)值得規(guī)定差異較大，除振搗混凝土產(chǎn)生的水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值取值相同外，建筑規(guī)范對(duì)傾倒混凝土工況產(chǎn)生的水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值，根據(jù)結(jié)構(gòu)澆筑方法的不同，其取值做了詳細(xì)規(guī)定，同時(shí)規(guī)定了振搗混凝土工況水平荷載的作用范圍，風(fēng)載的重現(xiàn)期。

3 荷載的設(shè)計(jì)值與荷載組合

3.1 荷載設(shè)計(jì)值與分項(xiàng)系數(shù)

在計(jì)算模板、支架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性時(shí)，采用荷載設(shè)計(jì)值，荷載設(shè)計(jì)值為組合荷載標(biāo)準(zhǔn)值與荷載分項(xiàng)系數(shù)的乘積，荷載分項(xiàng)系數(shù)不是簡(jiǎn)單將設(shè)計(jì)荷載放大，也不是傳統(tǒng)意義上的安全系數(shù)，它通過一個(gè)大于1的系數(shù)，定義荷載的不確定性與結(jié)構(gòu)的可靠度之間的關(guān)系，該系數(shù)是基于概率統(tǒng)計(jì)計(jì)算的結(jié)果，安全系數(shù)法只是概率統(tǒng)計(jì)系數(shù)近似表達(dá)[5]。對(duì)于現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)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(xiàng)系數(shù)1.4，建模規(guī)水平荷載的分類與分項(xiàng)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(biāo)準(zhǔn)組合，結(jié)構(gòu)的承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，按基本組合表達(dá)式計(jì)算荷載效應(yīng)組合的設(shè)計(jì)值；結(jié)構(gòu)的正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，按標(biāo)準(zhǔn)組合表達(dá)式計(jì)算荷載效應(yīng)組合的設(shè)計(jì)值，荷載組合設(shè)計(jì)值的表達(dá)式，鐵支規(guī)與建模規(guī)對(duì)荷載效應(yīng)組合表達(dá)式的規(guī)定存在差異，究其原因，應(yīng)該是建筑行業(yè)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件小，荷載差異性大，模板對(duì)荷載變化敏感，而鐵路行業(yè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件較大、荷載作用相對(duì)明確。

表2 不同工況下水平荷載分項(xiàng)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(yīng)的組合表達(dá)式如下，并取其最不利值，作為荷載組合設(shè)計(jì)值。

永久荷載控制時(shí)，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(shí)，S=1.2SG+1.4S1Q；S=1.2SG+0.9∑1.4SQ，兩表達(dá)式與《建筑結(jié)構(gòu)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(yīng)的組合表達(dá)式為S=1.2SG+1.4(SQ1+∑ΨJSQJ)，與《建筑結(jié)構(gòu)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(guó)標(biāo)GB 50009中明確的由可變荷載控制的荷載組合效應(yīng)設(shè)計(jì)表達(dá)式，但鐵規(guī)未對(duì)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(dǎo)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(guó)標(biāo)GB 50009，并且有各自不同。

(2)標(biāo)準(zhǔn)組合

標(biāo)準(zhǔn)組合的荷載效應(yīng)設(shè)計(jì)值表達(dá)式，建規(guī)規(guī)定：S=SG，即為永久荷載標(biāo)準(zhǔn)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(cè)模的水平荷載組合表達(dá)式及其值計(jì)算

按鐵支規(guī)規(guī)定計(jì)算模板及支撐的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性時(shí)，其荷載效應(yīng)組合表達(dá)式不組合傾倒混凝土產(chǎn)生的沖擊荷載，具體計(jì)算如下。

計(jì)算強(qiáng)度時(shí)采用基本組合：1.4(Pm+Q1)=1.4(42+4)=64.4 kN/m2

計(jì)算剛度時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算模板及支撐的強(qiáng)度時(shí)采用基本組合，并根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸不同，采用澆筑混凝土?xí)r最不利工況的荷載組合。

當(dāng)梁、拱、柱最小尺寸≤0.3 m，墻厚≤0.1 m時(shí)，由于結(jié)構(gòu)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(dāng)梁、拱、柱最小尺寸0.3>m，墻厚0.1>m時(shí)，由于結(jié)構(gòu)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(dāng)采用料斗容量V容量≥0.8 m3傾倒混凝土?xí)r，Q2分項(xiàng)系數(shù)為1.3，基本組合表達(dá)式為1.3Q2+1.4Pm，組合荷載設(shè)計(jì)值=1.3×6+1.4×42=66.6>64.4。當(dāng)采用其它工具卸料灌注混凝土，荷載組合設(shè)計(jì)值按1.4(Q2+Pm)計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果小于等于1.4(Q1+Pm)計(jì)算值，目前工程施工采用泵送混凝土導(dǎo)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(jì)算剛度時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)組合：Pm

建模規(guī)未對(duì)模板的穩(wěn)定工況規(guī)定荷載組合效應(yīng)的設(shè)計(jì)值表達(dá)式。

4 荷載效應(yīng)組合值的線形分布

澆筑混凝土側(cè)模板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需要繪制沿計(jì)算高度范圍的水平荷載效應(yīng)的組合值，新澆混凝土側(cè)模水平荷載標(biāo)準(zhǔn)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(shí)際工作中，均考慮其作用在計(jì)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(jié) 語

通過比較鐵支規(guī)、建模規(guī)對(duì)現(xiàn)澆混凝土側(cè)模水平荷載的分類、標(biāo)準(zhǔn)值與設(shè)計(jì)值、分項(xiàng)系數(shù)、荷載組合等規(guī)定的分析比較，作者認(rèn)為兩部規(guī)范主要存在以下差異。

(1)規(guī)范對(duì)水平荷載主荷載標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)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(cè)壓力產(chǎn)生的水平荷載的分類不同，同時(shí)鐵支規(guī)又規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，建模規(guī)根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)尺寸，規(guī)定了兩種基本組合，結(jié)構(gòu)尺寸較小時(shí)，組合振搗混凝土水平荷載，結(jié)構(gòu)尺寸較大時(shí)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(jì)算高度，實(shí)際工作中一般取計(jì)算高度為側(cè)模板的高度，且在全高度范圍混凝土澆筑完成前，應(yīng)不會(huì)出現(xiàn)混凝土初擬現(xiàn)象，否則荷載組合的設(shè)計(jì)值與實(shí)際情況會(huì)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(shí)間密切相關(guān)，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(gòu)模型是困難的，可以通過開展相關(guān)數(shù)據(jù)的測(cè)試研究，驗(yàn)證現(xiàn)有規(guī)定、優(yōu)化或重新建立水平荷載的計(jì)算模型，為規(guī)范的修編提高工程案例與數(shù)據(jù)，推進(jìn)建設(shè)領(lǐng)域施工技術(shù)不斷進(jìn)步。