桥墩模板侧压力的试验研究

郭亚娟（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京102600）



桥墩模板侧压力的试验研究

郭亚娟
（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京102600）

摘 要：工程实践表明，模板侧压力计算公式存在局限性，需要新的试验数据支持和修正，确保模板施工的经济性与安全性。通过对桥梁墩身混凝土产生的侧压力进行大量现场测试，研究了桥墩模板侧压力随时间及一次性浇筑高度的变化规律，明确了最大侧压力的主要影响因素，及与现有规范公式的相对偏差。统计分析表明：①桥墩模板侧压力最大值易出现在模板的中下部，而非最底层，最大值位置与一次性浇筑高度有关。②初凝时间、浇筑速度对模板侧压力具有显著影响，内部振捣仅对局部压力有影响，浇筑方式对模板侧压力的影响不显著。③与现有国内外规范公式计算结果比较表明，现场实测桥墩模板侧压力超出规范计算值2．41～4．86倍，因此急需根据桥墩模板特点制定相应计算公式。本研究为下一步制定桥墩模板侧压力计算公式提供了数据支撑，为规范桥墩模板设计、确保施工安全奠定了基础。

关键词：桥墩模板；侧压力；初凝时间；浇筑速度

1　模板侧压力计算公式的局限性

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，如泵送混凝土大大提高了浇筑速度，同时由于高性能混凝土的高流动特性等，使得混凝土对桥墩模板的实际侧压力与目前现有技术规范的计算结果存在较大偏差；且规范中模板侧压力计算参数不易准确取值，导致近年来，时有工地发生墩身爆模事故。

目前国内有关混凝土模板侧压力计算规范以《混凝土结构工程施工规范》（GB50666—2011）为主，其主要参考数据为建筑结构模板数据［1］。桥墩模板尺寸远大于建筑结构模板，且一次性浇筑高度一般在8～18m。近年来，不少学者对桥墩模板爆模进行分析，指出模板侧压力超出计算值是产生爆模的一个主要原因［2－5］。因此，有必要对桥墩模板进行现场测试，统计桥墩模板侧压力实际值，制定单独的计算公式及模板施工指南，以确保桥墩模板施工安全。

李陆平［6］对桥墩墩身混凝土侧压力进行了理论计算与现场测试结果分析，指出实测混凝土最大侧压力约为按照公路规范理论计算值的2．8倍。汪水清［7］对现浇混凝土模板侧压力进行研究，指出测试最大侧压力为规范计算值的1．01～2．20倍，建议修订公路规范中模板侧压力计算公式。薛琪［8］对高性能混凝土的模板侧压力进行分析，指出原有规范中关于模板侧压力计算公式已存在一些局限性，需要新的试验数据支持和修正，并给出部分设计和施工建议。

王旭峰、刘继文［9］通过分析深圳地铁3号线3106标段某桥墩立柱模板坍塌事故，指出《混凝土结构工程施工规范》（GB50666—1992）中混凝土侧压力计算公式不适应当前施工条件，缺乏有效试验数据支持。王荣杰［10］在文章中指出模板爆模的主要原因可归结为：设计问题、施工问题、材料问题、管理问题四个方面。

以上所有的研究或基于理论分析，或基于某一工点，同时均指出，需要大量代表现有施工技术水平的测试数据来修订既有规范公式。因此，在新的施工技术条件下，要对模板侧压力的形成机理和影响混凝土模板侧压力的各因素进行分析，对模板侧压力计算公式存在的一些局限性，需要新的试验数据支持和修正，确保模板施工的经济性和安全性。

2　现场测试概况

选择广东、湖南、重庆、内蒙古等四个工点开展桥墩模板侧压力测试，各工点选取20个桥墩，力争使测试数据代表国内桥墩施工的实际状况，共测试桥墩80个，其中有效桥墩数为52个。图1为现场安装的传感器。

图1 现场安装的传感器

压力监测采用高精度振弦式压力盒，温度监测采用半导体类电压型温度传感器。压力盒沿墩柱高度埋设多层，布置方式如图2所示。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，竖向测点按墩台全高布置，首层测点位置高于承台顶面30～50cm，然后依次向上每2m布置一层测点，压力盒采用绑扎在钢筋和黏贴在模板上两种方式安装。现场测试参数统计如表1所示。通过对各工点测试参数统计，得出如下结论：桥墩施工平均浇筑速度不高、均在3m／h以下，混凝土坍落度普遍较大、最大值达到210mm，初凝时间各工点存在较大差异，一次性浇筑高度最高为16．5 m，入模温度及环境温度受各地气候影响较大。

图2传感器布置方式（单位：cm）

表1　现场测试参数统计

图3为某测试桥墩竖向各层传感器侧压力随时间变化曲线，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。该桥墩侧压力最大值为0．152 MPa，出现在距墩底2．5m处。图4为同一水平层3个位置处传感器侧压力随时间变化曲线，图中，3C－1D代表第3层直中点位置，其他依此类推。从图中可以看出，3条曲线随时间变化趋势和最大值基本一致，即同一层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。

图3　竖向各层传感器侧压力随时间变化曲线

图4　同一水平层传感器侧压力随时间变化曲线

3　测试数据处理

3．1测试数据分析

图5、图6分别为不同桥墩浇筑高度下侧压力最大值随高度变化曲线（一次性浇筑高度8～16m）。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2或第3层，即距离桥墩底部2．5～4．5m处，与一次性浇筑高度有关。分析表明，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，初凝时间短，容易出现侧压力最大值不在浇筑最底层。

图5　侧压力最大值随高度变化曲线（不同浇筑高度下）

图6　侧压力最大值随高度变化曲线（浇筑高度较小）

3．2测试结果与现有规范计算结果比较

图7为现场测试结果与规范模板侧压力公式计算的比较。

图7　测试结果与现有计算公式比较

从图中可以看出，现场测试有效桥墩个数为52个，其中47个桥墩的侧压力最大值超过现有所有规范的计算结果，测试值最大为计算结果的4．86倍，测试值平均为计算结果的2．41倍。由此可以看出，桥墩模板的侧压力大大超出各类规范的计算结果，主要是由于现有规范主要以建筑结构的小模板侧压力数据为主，且所依托的测试条件与现有施工技术不相匹配。由此也证实了本测试工作意义深远，这将为下一步规范铁路桥墩模板设计与施工提供数据支撑。

图中：Ptest代表现场测试桥墩模板侧压力最大值；P2011代表《混凝土结构工程施工规范》（GB50666—2011）计算数据；P92代表《钢筋混凝土工程施工及验收规范》（GB50204—92）计算数据；P89代表《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041—89），《高速铁路桥涵工程施工技术指南》（2010，铁建设241号）计算数据；PACI04代表美国混凝土协会《混凝土模板指南》（ACI347—04）计算数据；Preport代表英国标准《脚手架实施规范》（CIRIA Report No．108）计算数据；Pger代表德国标准（DIN 18218—2010）计算数据。

3．3初凝时间的经验公式问题

现行国内大部分模板侧压力规范中，对于初凝时间规定：当缺乏试验资料时，可采用t0＝200／（T ＋15）计算，t0为混凝土的初凝时间，T为混凝土的温度（℃）。本研究通过对测试桥墩混凝土参数的测试，发现该经验公式在大部分地区偏差较大，测试结果为计算结果的0．48～3．15倍。图8为初凝时间实测与经验公式计算相对误差曲线，因此不宜采用上述经验公式计算初凝时间。

图8 初凝时间实测与经验公式计算相对误差

4 参数敏感性分析

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，如（GB50666—2011）中侧压力计算公式如式（1）所示：

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）；β为混凝土坍落度影响修正系数：v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）。

本节对初凝时间及浇筑速度两个重要因素进行单因素分析，研究现有浇筑条件下其与模板侧压力的关系。同时对现有施工条件下发生改进的施工方式如振捣方式、浇筑方式等对侧压力的影响进行分析。

4．1初凝时间对侧压力的影响

依据最小二乘法，对初凝时间与侧压力关系进行非线性拟合，如图9所示，拟合公式为：

图9　初凝时间对侧压力影响曲线

表2为拟合参数的方差分析表，置信度水平α＝0．05，即在95%置信度水平下，初凝时间对侧压力具有显著影响。

表2 初凝时间参数方差分析表

4．2 浇筑速度对侧压力的影响

浇筑速度对侧压力的影响可用公式（3）进行拟合，如图10所示。其方差分析如表3所示，置信度水平α＝0．05，即在95%置信度水平下，浇筑速度对侧压力具有显著影响。

图10　浇筑速度对侧压力影响曲线

4．3 振捣对侧压力的影响

在浇筑过程中，在振捣时和振捣间歇阶段分别测试侧压力，测试结果表明，振捣对模板侧压力有一定的影响。广清线银盏河146墩在浇筑过程中，有无振捣侧压力变化如图11所示，在传感器附近振捣时，侧压力增加10kPa左右，但由于浇筑过程中侧压力往往尚未达到最大值，故振捣对局部1m高度范围内侧压力有一定影响，对侧压力最大值不产生影响。

图11 外部振捣对模板侧压力影响

表3 浇筑速度参数方差分析表

4．4 浇筑方式对侧压力的影响

湖南工点有4个墩采用料斗浇筑，其浇筑速度与其他泵送混凝土浇筑没有差别，料斗浇筑的速度分别为0．6m／h，1．3m／h，0．9m／h，泵送混凝土浇筑速度亦在1m／h，侧压力结果没有明显变化。因此，对于桥墩模板，浇筑方式对侧压力的影响不显著。

5　结论

本研究通过大量现场测试研究了桥墩模板侧压力的大小及主要影响因素，为下一步研究桥墩模板侧压力计算公式及编制模板设计、施工手册提供了技术支撑。

（1）选择气候差异较大的四个工点进行桥墩模板侧压力测试，测试不影响现场设计、施工进程，数据量大，可真实反映国内桥墩模板施工水平下的模板侧压力大小。

（2）与现有规范计算结果比较，桥墩模板侧压力超出规范计算值在2．41～4．86倍，进一步证明了修订桥墩模板侧压力计算公式的必要性。

（3）对大量桥墩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。

（4）通过现场对初凝时间的测试，和国内规范经验公式计算比较，得出采用经验公式计算初凝时间误差较大，由于初凝时间对侧压力影响较大，建议采用现场测试结果。

（5）分析了桥墩模板侧压力影响参数的敏感度，指出初凝时间、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。

致谢：本研究得到了铁路总公司工管中心，广东珠三角城际轨道交通公司、湖南城际铁路有限公司、呼准鄂铁路有限公司、渝黔铁路有限责任公司、中铁十一局、中铁二十二局、中铁二十五局、中铁大桥局等单位的协作与支持，在此表示诚挚感谢。

参考文献

［1］郭正兴，王玉岭，姜波．《混凝土结构工程施工规范》GB50666—2011编制简介—模板工程［J］．施工技术，2012，41（360）：5－10

［2］吴远东，郭正兴，包伟．新浇混凝土模板侧压力的测试与计算研究［J］．江苏建筑，2012，149（4）：66－69

［3］黄志强，侯新宇，李海，等．混凝土桥墩模板数值模拟及内力分析［J］．施工技术，2015（S1）：341－343

［4］张文学，李增银，刘 龙．混凝土模板侧压力公式对比分析［J］．工业建筑，2014，44（7）：132－136

［5］朱永进．对限制竖向结构物混凝土单次浇筑高度的探讨［J］．铁道技术监督，2015，43（6）：8－10

［6］李陆平，王吉连，田湖南．墩身混凝土侧压力理论计算与现场测试结果分析［J］．世界桥梁，2010（4）：47－50

［7］汪水清，刘方．现浇混凝土模板侧压力研究［J］．世界桥梁，2012，40（2）：42－45

［8］薛琪．高性能混凝土模板侧压力分析［J］．铁道建筑技术，2012（2）：61－64

［9］王旭峰，刘继文．从地铁桥墩立柱模板坍塌事故分析探讨混凝土侧压力值［J］．建筑技术，2009，40（8）：734－737

［10］王荣杰，朱晓知．桥梁墩柱施工爆模事故原因分析及预防措施［J］．建筑安全，2015（2）：34－37

An Experimental Study of the Lateral Pressure of the Template for Piers

Guo Yajuan
（China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co．，Ltd．，Beijing 102600，China）

Abstract：Engineering practice shows that the existing formula for the calculation of the lateral pressure of the template for piers has certain limitations，which needs new experimental data to support itself and needs to be mended so as to ensure the economy and security of the template．Through a large number of site tests of the lateral pressure caused by the pier body of a bridge，the laws of the change in the lateral pressure of the template for piers with time and the one－time pouring height are studied，with the main influential factors of the maximum lateral pressure and the relative errors between the true data and the norm－calculated data made clear．The statistical analysis shows that：①the maximum value of the lateral pressure of the template for bridge piers tends to occur in the middle and lower parts of the template rather than in the lowest part of the bottom；and the maximum－value－position is related to the one－time pouring height．②The initial setting time and the placing rate have significant influence on the lateral pressure of the template，the internal vibration of concrete has influence only on the local pressure and the pouring mode has little influence on the lateral pressure of the template．③Compared with the results calculated in the light of domestic and international norms＇formulae，the site－measured results of the lateral pressure of the pier template is 2．41～4．86times greater than those calculated according to the formulae in the norms．Therefore，it is urgent to work out a corresponding calculation formula according to the characteristics of the pier template．The present research of ours may provide data support for developing a new formula for the calculation of the lateral pressure of the bridge pier．And the study also lays a solid foundation for the design and construction of the template for piers and helps ensure safe construction．

Key words：form for piers；lateral pressure；time of initial setting；placingrate

作者简介：郭亚娟（1980—），女，高级工程师，主要从事结构的减振与降噪分析 guoyajuan＠t5y．cn

基金项目：铁路总公司科技研究开发计划课题（2014G010－E）

收稿日期：2015－11－12

中图分类号：U443．22；TU755．2

文献标识码：A

文章编号：1672－3953（2016）01－0001－05

DOI：10．13219／j．gjgyat．2016．01．001