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墩身混凝土侧压力理论计算与现场测试结果分析李陆平，王吉连，田湖南 47 墩 身 混 凝 土 侧 压 力 理 论 计 算 与 现 场 测 试 结 果 分 析 李陆平1，王吉连1。田湖南2 ( 1中铁大桥局汉宜铁路项目经理部，湖北武汉430040； 2中铁大桥局集团桥科院有限公司，湖北武汉430034) 摘要：通过对某桥185号墩身混凝土侧压力的现场测试，发现实测混凝土最大侧压力约为按照公路规范理 论计算值的28倍。在分析国内、外有关混凝土侧压力计算公式后，建议高墩采用泵送高性能混凝土一次灌注到 顶时，为防止出现墩身“爆模”事故，墩身混凝土侧压力标准值取值中应偏于安全地将混凝土初凝时间内的灌注高 度按静水压力公式进行计算；模板设计时应考虑截面几何形状的影响。并且，在施工过程中，除加强对墩身拉杆、 螺栓连接和焊缝进行检查外，还应将混凝土的初凝时间、灌注速度、坍落度等严格控制在计算限定的范围内。对于 高性能混凝土侧压力计算公式，应进行更多的试验和研究。 关键词：高性能混凝土；模板；侧压力；压力测试；计算；分析 中图分类号：U 445559文献标志码：A文章编号：16717767(2010)04004704 1 引言 近几年来，全国多处工地发生了墩身“爆模”事 故，墩身模板垮塌主要是混凝土的侧压力超过模板 或者拉杆、连接螺栓等的容许承载能力所致。通常 模板( 含拉杆、连接螺栓) 加工制造前都进行了结构 设计，模板( 含拉杆、连接螺栓) 等在理论计算上是能 满足受力要求的，为找出“爆模”产生的原因，有必要 对墩身混凝土产生的侧压力进行现场测试，并与规 范理论计算值进行对比分析。 2墩身参数及混凝土压力测试方案 21墩身基本参数 选择某桥185号墩身进行混凝土压力测试。墩 高88m ，墩身坡比为27：1，墩身最底端长98m 、 宽35m ，圆弧段R一175m 。墩身采用C 30混凝 土，设计上没有配置钢筋( 素混凝土) ，混凝土理论方 量为262m 3。模板采用钢模，内部设冷却水管。 22压力测试方案 现浇混凝土压力监测的主要设备是压力盒，压 力盒采用标准双膜结构，体内充填不含气体的专用 介质，测试精度高。为了减少混凝土凝固过程中温 度变化对压力传感器数据的影响，在压力传感器旁 边埋设温度计，对压力盒进行温度补偿。 压力盒沿桥墩高度方向埋设4层，每层3个，其 中2个监测侧向压力( 圆弧段上为压力盒1一i 、平直 段上为压力盒2一i )、1个监测竖向压力(压力盒3一 i )。监测混凝土侧压力的压力盒与冷却水管连接， 其压力面与模板平行，距模板约5cm ；监测混凝土 竖向压力的压力盒埋设在混凝土中，固定于冷却水管 上，压力盒水平放置。压力盒布设示意如图1所示。 压力盒2一t 厂 ) 压力盒3一i 温月 f 压力盒3一i 压力盒1一l L塑生一单位：cm 图1压力盒布设示意 3现场测试及结果分析 31现场测试 墩身混凝土采取泵送入模方式，倾倒高度控制 在15m 以内，并采用内部插入式振动器振捣。混 凝土自2009年11月2日上午11：40开始浇注，11 月3日05：32结束，历时18h。其中11月2日晚上 21时左右因为搅拌站机械故障暂停浇注混凝土约4 h(此时已灌注的高度为52m ) ，至次日凌晨1时许 收稿日期：20100623 作者简介：李陆平( 1978一)，男，工程师，2001年毕业于西南交通大学土木工程专业，工学学士( Em ai l：lupingli 163corn)。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 48世界桥梁2010年第4期 恢复浇注。墩身混凝土平均灌注速度为06m h。 通过对混凝土现场测试，其坍落度平均值为 160cm ，入模温度为175，含气量为34，初 凝时间为4h 50m i n(墩身混凝土的初凝时间不必 设计得很大)，终凝时间为5h 40m in。 32测试结果 根据中铁大桥局集团桥科院有限公司的测试结 果，在墩身高27m 处混凝土侧压力最大，监测到 的墩高27m 处压力值与时间关系如图2所示。 160 140 120 蛊100 杂80 出60 40 20 *侧压力1(压力盒13测值) +侧压力2(压力盒23测值) 一竖向压力( 压力盒3- 3测值) 中断浇注段 墅塑塑堡璺_， P恢复浇注段； 246 8 1012 1416 1820 时间h 图2墩高27m 处压力值与时间关系曲线 33结果分析 从图2可以看出，压力盒开始埋人混凝土后约 3 h内，侧压力及竖向压力数值稳步增加，压力曲线 重合；随着时间的推移，混凝土浇筑高度的增加，竖 向压力及桥墩圆弧段侧向压力不断增大，且竖向压 力增加速度大于圆弧段侧向压力；桥墩圆弧段侧向 压力大于平直段侧向压力，平直段侧压力先增大后 平缓减小。值得注意的是，监测过程中，由于机械故 障混凝土浇注停止了近4h，桥墩下部最开始浇注 的混凝土已经超过终凝时间，开始凝固；中断浇注前 浇注的混凝土已经达到初凝时间，下段桥墩混凝土 已经处于半固固体状态；由于中断浇注竖向压力 及桥墩圆弧段侧向压力停止了增大的趋势，对浇注 至墩顶后墩身的最大压力值造成一定影响。另外， 该试验墩浇筑总高度仅88m ，根据图2，假如浇筑 高度继续增加，则墩身高27m 处圆弧段的侧压力 以及竖向压力值还会继续增加。 从图2可以看出，在混凝土因机械故障中断浇 注前，竖向压力曲线与桥墩圆弧段的侧压力(侧压力 1)曲线重合，压力值为656kPa，桥墩平直段的侧 压力( 即侧压力2) 低于前两者，为397kPa。重新 浇灌混凝土后，随着浇注的进行，竖向压力和侧压力 开始增大；竖向压力的增加速度较浇注中断前变化 较大，最终增大到1447kPa。桥墩圆弧段的侧压 力(侧压力1) 增大到947kPa，桥墩平直段的侧压 力(侧压力2)仍然缓慢减小。可见，虽然下部混凝 土已经开始凝结，但是上部浇注混凝土仍然能够影 响到桥墩圆弧段的侧压力。 4侧压力理论计算 41采用客货共线铁路桥涵工程施工技术指南 计算 根据客货共线铁路桥涵工程施工技术指南 ( 以下简称“铁路施工技术指南”) P94公式，当采用 内部振捣器，混凝土的浇注速度在6m h以下时， 新浇注的普通混凝土对模板侧面压力的标准值按以 下公式计算1： P。一K 7h ( 1) 式中各参数含义见参考文献 1 。 根据公式( 1)计算出P一307kPa。考虑混 凝土振捣时对侧面模板产生的荷载为40kPa，倾 倒混凝土时冲击产生的水平荷载20kPa，理论计 算得出作用于模板上的最大侧压力P=367 kPa。 42采用公路桥涵施工技术规范计算 公路桥涵施工技术规范( JTJ0412000)( 以 下简称“公路规范”) 附录D 中关于模板侧压力的计 算，借用了混凝土结构工程施工及验收规范( G B 5020492)中提出的公式，即采用内部振捣器，当混 凝土的浇注速度在6m h以下时，新浇注的普通混 凝土对模板侧面压力的标准值按以下2个公式计 算，并取最小值2，即： P。一0227ct oK lK 2训1 72 ( 2) P一7。H ( 3) 公式(2)、公式(3)中各参数含义见参考文献 2。根据公式(2) 计算出P一273kPa( 规范没 有规定坍落度大于15cm 时K z的修正值，此处取 最大值115)；根据公式(3)计算出P一2112 kPa。根据规范取两者小值，即新浇混凝土对模板 侧面压力标准值P。一273kPa。同样，考虑振捣、 倾倒混凝土产生的荷载分别为40kPa、20kPa，理 论计算得出作用于模板上的最大侧压力P。一333 kPa。 43美国规范 美国土木工程师协会结构施工荷载规范 ( SE I A SCE3702)标准第4711条规定3 ：对 于采用P工硅酸盐水泥制成的普通混凝土，当其 坍落度不大于10C I TI、采用内部振动器且深度不大 于122m 时，柱模模板侧压力按下列公式计算： C，一72+785R( T+178)( 4) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 墩身混凝土侧压力理论计算与现场测试结果分析李陆平，王吉连，田湖南 49 且取侧压力最大值不超过144kPa或235九 含义与公式(5)中h含义相同值，最小值不低于 288kPa。式中，C。为侧压力( kPa) ，R 为浇注速度 (m h) ，T为混凝土入模温度( )。 同时，该标准明确提出如不适用上述条件以及 未对拟设计模板进行相关试验数据证明的情况下， 新浇混凝土对模板的侧面压力均应按下列公式 计算： C 。一235h ( 5) 式中，h为流动或塑性混凝土的高度(m ) ，对于柱或 其它可能在混凝土固化前被快速浇注至顶的模板， h应取模板全高。 另外，美国混凝土协会混凝土模板指南(ACI 34704) 对于模板侧压力的计算公式是在美国土木 工程师协会结构施工荷载规范( SEI ASC E37 02) 的基础上，考虑了混凝土重度( C。) 和水泥品种 及掺合料( C 。)2个修正系数。 5分析比较 51现场测试与理论计算比较 该工程实例中现场实测的最大侧压力为947 kPa，但根据“铁路施工技术指南”和“公路规范”，理 论计算得出的最大侧压力分别为367kPa、333 kPa，即实测值分别是“铁路施工技术指南”、“公路 规范”理论值的26、28倍左右。 另外，根据测试数据，墩身同一高度位置平直段 侧压力在混凝土初凝后即开始缓慢降低，即使浇筑 高度继续增加，也继续呈下降趋势；但圆弧段的侧压 力在混凝土初凝后仍继续增加，而且随着上部混凝 土浇筑高度的增加，侧压力仍继续增加。最后导致 圆弧段最大侧压力是平直段最大侧压力的24倍， 而我国现行“铁路施工技术指南”和“公路规范”计算 公式中，均没有考虑同一高度位置不同点侧压力存 在的差异。 52“铁路施工技术指南”和“公路规范”比较 两者均考虑了影响混凝土侧压力的几个主要因 素，包括混凝土的初凝时间、灌注速度、是否掺人具 有缓凝作用的外加剂等。 不同之处在于，“铁路施工技术指南”没有规定 坍落度的限值范围；“公路规范”中虽然考虑了坍落 度的影响，但最大坍落度为15cm ，对于坍落度超过 15cm 时，其影响系数没有进行取值说明。 53我国规范与美国规范比较 我国规范与美国规范相比，可以发现，美国规范 对于公式提出了明显的适用条件，即“当坍落度不大 于10cm 、采用内部振动器且深度不超过122m 时”，才能适用公式(4)。否则，应采用公式(5)，即将 流动或塑性混凝土按静水压力公式进行计算，尤其 指出“对于柱或其它可能在混凝土固化前被快速浇 筑至顶的模板，h应取模板全高”。但我国规范没有 指出公式的适用条件，比如坍落度、振捣深度等限 值。根据参考文献 4 ，泵送混凝土在初凝前呈絮网 状结构，粘塑性经振动后迅速“崩解”产生“似液化” 状态，在振动影响区，混凝土呈静水压应力分布。由 此说明，振捣深度对于混凝土侧压力是有较大影 响的。 美国混凝土协会对于混凝土侧压力的计算公 式，除考虑外加剂的影响外，还考虑了水泥的品种、 胶凝材料中是否掺入矿渣和粉煤灰等的影响。这说 明，混凝土中掺入矿渣粉和粉煤灰后，其工作性能有 了很大的提高，但相应产生的侧压力也会增加。根 据我国客运专线高性能混凝土暂行技术条件混凝 土配合比选定的规定，即“为提高混凝土的耐久性， 改善混凝土的施工性能和抗裂性能，混凝土中宜适 量掺加优质的粉煤灰、矿渣粉或硅灰矿物掺合料”， 但我国目前混凝土侧压力理论计算公式却只考虑了 是否掺人具有缓凝作用外加剂的修正系数，而未考 虑掺入矿物掺合料的影响。 6 结语 ( 1) 目前我国客运专线铁路上使用的高性能混 凝土相对普通混凝土来说，其施工工艺和工作性能 都发生了很大的变化。例如，过去常用吊斗入模，而 目前已较多地采用泵送人模，泵送混凝土因可泵性 要求，一般都是坍落度较大(一般使用的泵送混凝 土，其坍落度都在15cm 以上) 、流动性较好、粘聚性 较大5。另外，高性能混凝土中普遍采用了“双掺” 技术，即除掺人高效减水剂外，还掺入了矿渣粉和粉 煤灰等矿物掺合料，这在增加混凝土的耐久性、工作 性能和抗裂性能的同时，往往也加大了混凝土的流 动度和侧压力。通过对某桥185号墩身压力现场测 试，发现实测最大侧压力比按理论公式计算侧压力 大很多。因此，对于混凝土侧压力计算公式，应进行 更多的试验和研究。 ( 2) 高墩施工中，当采用泵送高性能混凝土一 次灌注到顶时，为防止出现墩身“爆模”事故，对于墩 身混凝土侧压力标准值，建议偏于安全地将混凝土 初凝时间内的灌注高度按静水压力公式进行计算， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 50世界桥梁2010年第4期 即P一7h，式中，) ，为混凝土的容重；h为混凝土初 凝时间内的灌注高度，按ht。口计算，其中，t 。为初 凝时间(h) ，口为灌注速度(m h)，如果计算得出矗 H (H 为模板全高)时，应取hH 。 ( 3)该次试验结果表明墩身同一高度位置，圆 弧段的最大侧压力是平直段最大侧压力的24倍。 这说明截面形状不同时，其侧压力也不相同。目前 桥梁施工的各类型桥墩，截面往往不是正方形或圆 形，这样，侧压力也会有所不同。因此建议在模板设 计时适当考虑截面几何形状的影响。例如，可以将 圆弧段的模板结构设计进行局部加强。 ( 4) 在模板设计时，除应进行强度、刚度和稳定 性计算外，还应特别注意要对圆弧段模板拉杆、拼缝 处的连接螺栓进行计算，并应考虑竖向拼缝螺栓可 能同时承受剪力和拉力的情况。在模板加工制造 时，要注意焊接质量，尤其是拼缝处连接板与面板间 要焊牢。更重要的是，在墩身施工过程中，应加强对 拉杆、螺栓和焊缝的检查，一般来说，模板每倒用3 或4次，必须对模板关键部位进行检查，并加焊补 强6| 。应严格控制混凝土的初凝时间、灌注速度、坍 落度等在计算限定的范围之内。另外，墩身混凝土 的初凝时间不需要设计得很长，在配合比设计阶段 应严格控制。 参 考文献： 1 E2 -3-1 4 I s 6 TZ2032008，客货共线铁路桥涵工程施工技术指南 s JT J0412000，公路桥涵施工技术规范Es 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，( 8) ：734737 柬廉阶，曾建雄，李维荣，等工业建筑大型结构泵送混 凝土侧压力的计算与实测研究EJ建筑施工，2002，24 (2)：104108 魏建军，周水兴泵送混凝土浇筑箱梁的模板侧压力试 验研究EJ 路基工程，2008，(1) ：8991 渠茂涛客运专线耐久性混凝土桥墩模板实践性分析研 究 J 铁道标准设计，2009，(4) ：3335 A nal ysi s ofTheoret i cCal cul at i onsandFi el d Test i ng ofLat eral Com pr ession inC oncret eof Pi erShaf t LJ Lupi ng1，W A N GJi l ian1，TI A NH unan 2 ( 1Secti onofW uhanY i changR ai l w ayConst r ucti onProject ，Chi naRail w ayM ajor Bridge Engi neer ingG roupC o，Ltd，W uhan430040，C hi na；2B r i dgeSci enceResearch Ins t i t ut e Lt d，C hi naRail w ayM ajor B r i dgeEngi neer ingG r oup，W uhan430034，Chi na) A bst ract ：Thefieldt esti ngofl at er alcom press i oni nt hepi ershaf t concr et eofPi erN o1 85of abri dgereveal edt hatt he act ual l ym easur ed m axi m umlateral com press i on w as appr oxi m at el y 28 t i m esoft het heor eti ccalcul at ionval ueasprovi dedi nt hehighw aycodesO nt hebasi sofanalysi s oft her el at edforei gnanddom est i cform ul aef ort helateralcom press i on，i tw aspr oposedt hat at t 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