泵送混凝土对模板侧压力计算公式应用分析20**年0218

泵送混凝土对模板侧压力计算公式应用分析

1 新浇混凝土侧压力的影响因素

刚浇筑入模的混凝土, 在振动作用下, 具有很大的流动性, 类似液体, 因此这时混凝土对模板的侧压力分布规律亦类似静水压力。但由于混凝土具有触变性, 只要振动一停止, 混凝土在振动时所获得的流动性将会丧失, 而且随着水泥的水化作用不断进行, 混凝土的极限剪切应力逐渐增大, 因而实际作用在模板上的侧压力要比按静水压力计算公式求得的小，从而影响混凝

土模板侧压力的因素也要复杂的多，影响混凝土侧压力的因素有: 水泥的品种, 外加剂的种类,集料的种类及其级配, 混凝土的配合比及其稠度(又称坍落度) , 周围环境温度及混凝土的温度, 捣实混凝土的方法, 模板的刚度及表面的粗糙程度, 结构构件的配筋情况及断面尺寸等。

泵送混凝土的坍落度，可按国家现行标准《混凝土结构工程施工及验收规范》的规定选用。对不同泵送高度，入泵时混凝土的坍落度，可按下表选用。

注：掺粉煤灰与其他外加剂时，坍落度经时损失值可根据施工经验确定。无施工经验时，应通过试验确定。 2 泵送混凝土侧压力 2.1 泵送混凝土的特点

泵送混凝土由于其效率高、浇筑速度快、机械化程度高、技术措施费用低、现场施工文明、其优越性十分显著, 这是实现现浇混凝土工业化生产的重要途径, 也是混凝土施工工艺的一大飞跃。这种施工方法所使用的混凝土因可泵性要求, 一般都是坍落度较大、流动性较好、粘聚性较大；其材料组成、配合比、坍落度等变化小, 浇筑过程比较连续均衡同时加入适量外加剂。所有这些特点, 使得泵送混凝土对模板的侧压力影响比较突出。 2.2 泵送混凝土侧压力的影响因素分析 2.2.1 混凝土浇注速度

混凝土的浇注速度仍就是影响泵送混凝土对模板侧压力的一个重要影响因素，随着混凝土浇注速度的增加, 混凝土侧压力也增大，大多数研究者认为, 混凝土的最大侧压力F 与浇注速度V 的关系式为幂函数(即F = kV n )。 2.2.2 温度

温度是影响混凝土凝结、硬化的重要因素, 从而也影响混凝土侧压力, 在一定的浇注速度下, 温度愈低则混凝土侧压力愈大, 两者成反比关系。 2.2.3 混凝土的振捣方法

振捣密实混凝土的方法有两种: 一种为人工捣实, 一种为机械捣实。目前, 大多采用机械捣实, 特别是对于一次浇捣量较大的泵送混凝土，捣实方法影响混凝土的液化程度, 机械振捣会使混凝土液化得好, 流动性会增大, 混凝土侧压力相应地会增大。试验表明,机械振动捣时的混凝土侧压力要比手工捣实时增大约56%，当混凝土侧压力计算公式标明采用机械捣实时, 该因素不另考虑。

2.2.4 混凝土的坍落度

混凝土坍落度大,其流动性好, 侧压力也增加。对于泵送混凝土, 因为可泵性要求,使得其坍落度较一般混凝土大, 因而其侧压力相对较大。 2.2.5 水泥品种

混凝土的初凝时间不同于水泥的初凝时间，虽然不同水泥的初凝时间相差较大(相差幅度为1～ 4 h),但用它们的配制混凝土时,在温度、配合比基本相同的条件下,相差很小(仅1 h 左右)。因此,水泥品种对混凝土侧压力计算式中可不予考虑。 2.2.6 集料种类与级配

集料的种类与级配决定了混凝土的容重,也影响混凝土的内摩擦力。对于混凝土的容重,其对混凝土侧压力有较大的影响, 但在一般工业与民用建筑施工中所使用的普通混凝土,其容重可以看成是一个常数。因此,在考虑混凝土侧压力的计算公式时,只需要说明即可。 2.2.7 混凝土配合比

在泵送混凝土中, 常用的外加剂主要是减水剂, 大多数减水剂都具有一定的缓凝作用。据有关资料表明, 掺有减水剂的混凝土侧压力比未掺的要大，如掺有木质素磺酸钙外加剂的混凝土侧压力比未掺外加剂的平均增大17. 9%。 3. 几种计算公式

3.1 我国GBJ 204-83规范计算式

在一般工业与民用建筑中, 当采用内部振动器时, 若混凝土的浇注速度在6m/h 以下, 新浇注的混凝土作用于模板的最大侧压力, 可按下列二式计算, 取二者中的较小值

:

式中 T—— 混凝土温度(℃)；

F—— 新浇混凝土的最大侧压力(kN/m 2)； V—— 混凝土的浇注速度(m/h )；

h—— 混凝土侧压计算位置处至新浇混凝土顶面的高度(m )； K s—— 混凝土坍落度影响修正系数， 当混凝土坍落度小于3 cm 时取0.85；5～ 9 cm 时取1.0； 11～ 15 cm 时取1.15；

K w ——外加剂的影响修正系数，不掺加外加剂时取1.0, 掺具有缓凝作用的外加剂时取1.2。

由于是泵送混凝土，所以，必掺外加剂，塌落度必大于11cm，所以，对于泵送混凝土，上述计算公式为：

该公式对混凝土侧压力的主要影响因素, 考虑较为详细, 主要考虑下列因素的影响: 浇注速度、浇注时混凝土温度、混凝土的稠度及外加剂，公式的形式也简单明确, 在模板设计中有着广泛的应用，但该公式只适宜于浇注速度在6m/h 以下的情况, 影响了它在浇注速度较大的泵送混凝土侧压力计算中的应用。 3.2 我国GB50204-92规范计算式

混凝土结构工程施工及验收规范GB50204-92规定的混凝土侧压力是以流体静压力原理为基

础, 并结合浇注速度与侧压力的试验数据(包括泵送混凝土的试验资料) 而建立的, 改善了原规范公式对浇注速度大于2 m/h时侧压力偏低的情况。 该规范中新浇注的混凝土作用于模板的最大侧压力可按下列二式计算, 取二者中较小值

:

式中 r —— 新浇混凝土的重力密度

t0 ——混凝土初凝时间, 其计算公式

式中 β1 ——取值同前面的K s β2 ——取值同前面的K w

由于是泵送混凝土，所以，必掺外加剂，塌落度必大于11cm，混凝土重力密度一般为23.5kN/m3～24.0kN/m3,计算取r =24.0kN/m3，所以，对于泵送混凝土，上述计算公式为：

3.3 我国冶金建筑研究总院建议的计算方法

对于采用泵送工艺的新浇注混凝土, 其对钢模板产生的最大侧压力按下式计算：

有效压头为

式中, T 为新浇混凝土的初凝时间(h),可实测，在尚未制定统一的标准测定方法之前, 建议可暂用贯入阻力法测定(一般为6 h)。

该计算公式适用于混凝土有效压头h≤H 的情况；若h>H 时,则取h= H，其中H 为浇注总高度,单位为m。

混凝土重力密度计算取r =24.0kN/m3，则公式可变为：

3.4 三种计算公式的对照

在室温情况下（T(t0)=20℃）,三种公式为：

从图中看出， GBJ 204-83规范计算式偏小，冶金建筑研究总院建议的计算方法偏大， GB50204-92规范计算式较为合理。当V≤2.0m/h时，GBJ 204-83规范与GB50204-92规范计算结果较为接近。

三种计算公式对照图

3.5 GB50204-92规范计算式参数选择

泵送混凝土条件下，r=24kN/m3,侧压力计算公式为：

T一般在5℃～28℃之间变化，当V分别为1.0m/h、2.0m/h、4.0m/h、6.0m/h、8.0m/h时，F为：

混凝土最大侧压力与施工温度关系图

当V分别为1.0m/h、2.0m/h、4.0m/h、6.0m/h、8.0m/h时，hmax为：

混凝土有效压头与施工温度的关系图

从上图可看出，当模板高度低于1.4m时不需要考虑混凝土初凝时间即浇筑速度对模板侧压力的影响。

混凝土侧压力分布见下图。

侧压力计算分布图 其中：h有效压头高度 h=F/γc（m）

泵送混凝土条件下侧压力由两个因素决定——混凝土初凝时间和混凝土浇筑速度，所以，混凝土初凝时间和混凝土浇筑速度成为确定混凝土对模板的侧压力大小的关键。由于这两个参数波动特别大，混凝土初凝时间在1℃～10℃之间波动，混凝土浇筑速度可在0.1m/h～40m/h波动，如此大的差距，对模板的设计至关重要，这也正是高支模易发生垮塌的重要原因。 3.5.1混凝土初凝时间的选择

混凝土初凝时间与试验室初凝时间不同，试验室计算初凝时间从水泥加水开始，而作为计算模板侧压力的混凝土初凝时间则是从混凝土入模开始算起。 混凝土初凝时间与混凝土施工温度有如下关系：

根据《建筑工程冬期施工规范》JGJ104-97规定：当室外日平均气温连续5d稳定低于5℃即进入冬期施工，当室外日平均气温连续5d稳定高于5℃即解除冬期施工。所以混凝土的最低施工温度为5℃。

夏季高温时施工混凝土入模温度要求不高于28℃，当温度高于28℃时即采取降温措施，所以，混凝土的最高施工温度为28℃。

作为模板设计要求的混凝土施工温度范围为：5℃～28℃，与此相应的混凝土初凝时间为：10～4.65h。混凝土施工温度与初凝时间关系见下图。

混凝土施工温度与初凝时间关系图 3.5.2混凝土浇筑速度的选择

影响混凝土浇筑速度有三个环节：混凝土搅拌站生产能力、混凝土的运输能力、混凝土的泵送能力，一般情况下，这三者是相互配套的、协调的，而且一般情况下，三者之间的关系为：混凝土搅拌站生产能力﹥混凝土的运输能力﹥混凝土的泵送能力，尤其在使用商品混凝土时。所以，混凝土浇筑速度一般按照输送泵的能力来确定。

混凝土泵的实际平均输出量，可根据混凝土泵的最大输出量、配管情况和作业效率，按下式计算：

Q1＝Qmax×α1×η

式中 Q1 —— 每台混凝土泵的实际平均输出量（m3/h）；

Qmax—— 每台混凝土泵的最大输出量（m3/h）； α1 —— 配管条件系数。可取0.8～0.9；

η —— 作业效率。根据混凝土搅拌运输车向混凝土泵供料的间断时间、拆装混凝土输送管和布料停歇等情况，可取0.5～0.7。

作为模板设计荷载取值，宜考虑最不利工况，也即各种参数宜取高值，这样混凝土泵的实际平均输出量计算公式就为： Q1＝0.63Qmax

混凝土浇筑速度就为：

式中：V——混凝土浇筑速度（m/h）； A —— 结构截面积（m2）。

设计模板和支撑时，首先对荷载的选择应特别慎重，一定要考虑最不利工况，否则，即使模板、支撑的设计计算有多么详细、合理，仍然隐含了巨大的安全隐患。此外，模板、支撑的设计一定要注明施工条件，即混凝土的初凝时间和混凝土的浇筑速度，施工过程要严格控制，方可保证施工安全。 4 荷载设计

与其说模板设计，不如说荷载设计，因为大多数情况下，模板是现成的，或者由于经济的、便于操作等的原因，模板的设计重量是有限度的，也即模板的承载能力是有限度的。所以，在施工现场，尤其是利用既有模板的情况下，进行荷载设计比模板设计更加合理和有效。现以举例说明这一情况。

钢模板采用P3015（1500mm×300mm），内钢楞采用2根Φ51×3.5钢管，间距为750mm，外钢楞采用同一规格钢管，间距为900mm，对拉螺栓采用M18，间距为750mm。钢材抗拉强度设计值：Q235钢为215N/mm2，普通螺栓为170N/mm2；钢模的允许挠度：面板为1.5mm，钢楞为3mm。

4.1 按模板强度确定的最大侧压力 （1）计算简图

（2）按模板强度确定的最大侧压力

P3015钢模板（δ=2.5mm）截面特征，Ixj=26.97×104mm4，Wxj=5.94×103mm3。

化为面均布荷载：

当采用泵送混凝土时，倾倒混凝土时产生的水平荷载为：6×1.4×0.85=7.14kN/m2。 模板侧压力设计值为：F=60.544-7.14=53.404 kN/m2 混凝土侧压力标准值为：F1=F/(1.2×0.85)=52.357 kN/m2 按照模板强度确定的混凝土最大侧压力为：52.357 kN/m2 （3）按模板挠度确定的最大侧压力

化为面均布荷载：

当采用泵送混凝土时，倾倒混凝土时产生的水平荷载为：6×1.4×0.85=7.14kN/m2。 模板侧压力设计值为：F=48.162-7.14=41.022 kN/m2 混凝土侧压力标准值为：F1=F/(1.2×0.85)=40.218 kN/m2 按照模板强度确定的混凝土最大侧压力为：40.218 kN/m2

综上计算，按照模板的承载能力确定的混凝土最大荷载为Fmax=40.218kN/m2 4.2 按照内钢楞承载能力确定混凝土最大侧压力 （1）强度验算

内钢楞采用两根Φ50×3.5mm钢管，其截面特征为：I=2×14.81×104mm4,W=2×5.81×103mm3。 计算简图：

〔σ〕=215 N/mm2 Mmax=〔σ〕·W=215×11.62×103=2498.3×103 N·mm q1max=Mmax/0.1×L2=2498.3×103/0.1×9002=30.843 N/mm 化为面荷载：30.843 /1.0=30.843 N/mm2=30.843×10-3/106=30.843 kN/m2 Fmax=（30.843-7.14）/（1.2×0.85）=23.238kN/m 所以，与模板的承载力相差太大，改为两根［80×40×3.0轻型槽钢， 其截面特征为：I=2×43.92×104mm4,W=2×10.98×103mm3。 Mmax=〔σ〕·W=215×21.96×103=4721.4×103 N·mm q1max=M/0.1×l2=4721.4×103/0.1×9002=58.289 N/mm 化为面荷载：58.289/1.0=58.289 N/mm2=58.289×10-3/106=58.289 kN/m2 Fmax=（58.289-7.14）/（1.2×0.85）=50.146kN/m2 （2）挠度验算 〔ω〕=1.5mm

q2=61.107N/mm

所以Fmax=61.107 /（1.2×0.85）=59.909kN/m2

综上计算，按照内钢楞承载能力确定的混凝土最大侧压力为Fmax=50.146kN/m2 4.3 按照对拉螺栓确定的混凝土最大侧压力 对拉螺栓的规格和性能见下表。 对拉螺栓的规格和性能

每个螺栓所承担的最大压力面积为内、外钢楞间距，如0.75×0.9=0.675m2

如果按照与模板最大侧压力相匹配，则每个螺栓所承担的最大拉力为：40.218 kN/m2×0.675=27.147 kN，所以选择T18螺栓。 4.4按照扣件容许荷载确定混凝土最大侧压力 扣件容许荷载（kN） 所以，决定模板施工安全的环节有模板、钢楞、拉筋、扣件，荷载必须按照最薄弱环节来设计。一般情况下设计原则为扣件能力≥拉筋能力≥钢楞能力≥模板能力。 4.5 控制荷载

当明确了模板系统的承载能力后，那么，施工时就必须控制荷载不得大于设计荷载。影响混凝土侧压力的两个因素即混凝土初凝时间和混凝土浇筑速度，所以，施工时应严格控制混凝土初凝时间和混凝土浇筑速度。仍以组合模板为例，混凝土最大容许侧压力为Fmax=40.218kN/m2，则有：

混凝土初凝时间与浇筑速度有如下关系图：

混凝土有效压头为：

hmax=Fmax/24.0=40.218/24=1.68m

也就是说，当模板高度不超过1.68m时，是不用考虑混凝土初凝时间和浇筑速度的。 有些高支模方案甚至是经过专家评审过的方案发生垮塌，究其原因现场施工条件与模板设计的条件不符造成的，其中最主要的两个条件——混凝土初凝时间和混凝土浇筑速度，尤其在城市施工，混凝土一般采用商品混凝土，商品混凝土的供应能力往往远大于现场施工能力，又由于城市交通的不稳定，就造成混凝土供应量波动很大，浇筑速度就波动很大；同样的原因，混凝土初凝时间也很难预先准确确定，而混凝土运输人员或现场浇筑捣固操作人员图省事，故意掺加缓凝剂乃至水，造成混凝土初凝时间大大增长，以上情况都会引起混凝土侧压力的激增，为模板垮塌造成极大安全隐患。所以，混凝土模板作业安全的关键是保证实际工况与设计相符。