斜拉桥倾斜塔柱混凝土对模板水平力作用的试验模型构建方法与流程

本发明属于桥梁建设技术领域；涉及斜拉桥倾斜塔柱混凝土对模板水平力作用的试验模型构建方法。

背景技术：

目前我国混凝土结构模板设计时采用的混凝土模板侧压力规范都是经验公式，且都有非常严格的使用条件，一旦超出适用条件，按照静水压力计算。此外随着建筑行业的发展，泵送混凝土已成为施工现场的主要浇筑方式。由于使用的预拌混凝土具有自身的优势，以及泵送混凝土特殊的浇筑方式，使得采用现行规范中新浇筑混凝土对模板侧压力的设计公式所计算的压力值可能偏于不安全。而且对于现浇混凝土，由于在振动器捣振在作用下混凝土具备较大的流动性，近似流体，混凝土对模板的侧压力分布类近似于静水压力。因为混凝土的触变性特性，当混凝土振捣停止后，混凝土振捣所产生的流动性逐步消失，伴随水泥的硬化作用，混凝土的内应力逐渐增大，因此作用在模板上由混凝土所产生的侧压力和静水压力不同。另外现行规范着重考虑垂直状态下模板侧压力的计算，对于倾斜塔柱新浇筑混凝土侧压力的考虑并不全面。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种斜拉桥倾斜塔柱混凝土对模板水平力作用的试验模型构建方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：斜拉桥倾斜塔柱混凝土对模板水平力作用的试验模型构建方法，其特征在于，其模型包括底座、模板系统和支架系统，所述模板系统底部矗立在底座上，所述模板系统侧边支架在支架系统上；所述支架系统为框架结构，所述模板系统为由模板围成的柱状结构，其侧面与支架系统接触；所述模板内壁安装在长度方向等间距排列多个压力盒；

在模型内部安装钢筋，并浇筑桥梁用标准混凝土；记录浇筑工艺参数；

待浇筑完成后，实时记录各个压力盒的数据；

对浇筑工艺参数、压力盒参数进行处理；获得新的影响系数公式以及液体压强公式。

进一步的技术方案在于，所述压力盒外换套固定装置套环，所述套环外侧圆周均布多个锚固锁脚。

进一步的技术方案在于，所述支架系统由脚手架搭建而成，在模板系统的顶部和底部分别与脚手架接触处设置荷载计，所述荷载计固定在脚手架上支座上。

进一步的技术方案在于，新的液体压强公式以及新的影响系数公式如下：

f＝γh

f＝β30.22γt0β1β2v^1/2

式中:γ—混凝土容重；

h—混凝土高度；

t0—混凝土初凝时间；

β1—外加剂修正系数，不掺加外加剂时取1，掺加具有缓凝作用的外加剂时取1.2；

β2—混凝土坍落度修正系数，当坍落度小于30mm时取0.85；当坍落度为50mm-90mm时取1.0；当坍落度为110mm-150mm时取1.15；

β3—模板倾斜角度系数，取值为：β3＝1+0.23θ/30，θ：模板倾斜角度，其为与竖线的夹角；

v—浇筑速度。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明采用易装卸和改造的木模，满足强度、刚度要求，并且在浇筑过程中，由于模板要承受各种荷载的作用，所以要求模板具有结构的功能，在外荷载作用下不破坏，变形在允许的范围内；支撑采用扣件式脚手架支撑，浇筑过程中，无滑动和变形，并在试验结束后获得相应的公式，用以解决技术问题。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1模型试验整体布局；

图2试件钢筋构造图；

图3图2中a-a放大示意图；

图445度斜塔压力盒布置示意图；

图560度斜塔压力盒布置示意图；

图675度斜塔压力盒布置示意图；

图745度斜塔荷载计侧面布置图；

图845度斜塔荷载计背面布置图

图9压力盒固定装置的俯视图；

图10压力盒固定装置的主视图；

图1145度倾角塔柱各个监测点侧压力变化趋势图(图11-1、图11-2、图11-3、图11-4、图11-5、图11-6)；

图1260度倾角塔柱各个监测点侧压力变化趋势(图12-1、图12-2、图12-3、图12-4、图12-5、图12-6)；

图1375度倾角塔柱各个监测点侧压力变化趋势(图13-1、图13-2、图13-3、图13-4、图13-5、图13-6)；

图1490度倾角塔柱各个监测点侧压力变化趋势(图14-1、图14-2、图14-3、图14-4、图14-5、图14-6)；

图15模板侧压力随时间的变化趋势示意图；

图16计算值和实测值随角度变化曲线；

图17拟合效果图；

图18-145度斜塔侧压力沿高度的分布；

图18-260度斜塔侧压力沿高度的分布；

图18-375度斜塔侧压力沿高度的分布；

图18-490度斜塔侧压力沿高度的分布；

图19模板侧压力和温度变化的对比图。

7、底座；8、模板系统；8-1、前侧模板；8-2、后侧模板；8-3、侧边模板；8-4、钢筋；8-5、荷载计；8-6、支座；8-7、脚手架；9、支架系统；10、压力盒；11、固定装置套环；11-1、锚固锁脚。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

斜拉桥塔柱新浇筑混凝土对模板侧压力作用的主要影响因素有浇筑速度、、混凝土的坍落度、温度、混凝土的密度、配合比、外加剂的种类、固结方法和模板尺寸。国内相关标准对模板侧压力计算的规定也各不相同：

1、jgj162-2008规范

我国《建筑施工模板安全技术规范》(jgj162-2008)给出了以下两个公式，公式(1-1)是影响系数公式，公式(1-2)是液体压强公式。

f＝γch(1-2)

式中：f——新浇筑混凝土的最大侧压力(kn/m²)；

v——混凝上的浇筑速度(m/h)；

γc——新浇筑混凝土的重力密度(kn/m³)；

t0——混凝土的初凝时间(h)，t0＝200/(t+15)；

β1——混凝土坍落度影响修正系数，当混凝土的坍落度小于3cm时取0.85；5～9cm时取1.0；11～5cm时取1.15；

β2——外加剂的影响修正系数，混凝土没有掺入外加剂时取1.0；混凝土掺入有缓凝作用的外加剂时取1.2；

jgj162-2008规范是以流体静压力原理为基础，考虑了混凝土浇筑速度、凝结时间、坍落度、外加剂和密度等对侧压力的影响。是以大量试验为基础上得出的经验公式。在实际工程中常取两个公式中的较小值。它适用于浇注速度在6m/h以下的普通混凝土及轻骨料混凝土。

2、《路桥施工计算手册》(简称“手册”)

采用内部振捣器时，对于竖直模板且混凝土浇注速度在6m/h以下时，作用于侧模的最大模板侧压力为：

ρm＝kγh(1-3)

其中:v/t≤0.35时，有效压头高度h＝0.22+24.9v/t；当v/t＞0.35时，h＝1.53+3.8v/t，t为混凝土入模时的温度(℃)；k为外加剂影响修正系数，不添加时k＝1.0，掺缓凝剂时k＝1.2；v为混凝土浇注速度，(m/h)；γ为混凝土重力密度，(kn/m3)。除此之外，该“手册”中还给出了泵送混凝土浇注施工时模板侧压力的计算公式、采用外部振动器时混凝土模板侧压力计算公式和倾斜模板混凝土模板侧压力计算公式。

3、gb50204—92规范提出的公式如下

f＝γh(1-5)

上述公式是以流体理论为基础、在大量试验数据的基础上建立起来的公式，对于浇筑速度大于2m/h时计算结果更加准确。gb50204—92规范jgj162—2008规范相比公式是一样的，jgj162—2008规范基本上采用了gb50204—92规范的计算方法。gb50204—92规范和jgj162-2008规范相比，编制时考虑很多新的材料和施工工艺。

4、本发明实验模型如图1所示

5、模型构建过程

根据倾斜塔柱新浇筑混凝土对模板的侧压力可以推导出水平力，为研究模板倾角对模板侧压力的影响规律，本次模型构建拟定浇筑3个倾角不同的倾斜塔柱试件，分别测定浇筑过程中及浇筑完成之后，模板侧压力的变化规律。三个倾斜塔柱试件的倾角分别选为45°、60°和75°。以60度倾角的倾斜塔柱模型为例，试验的整体布设如图1所示。

模板采用易装卸和改造的木模，满足强度、刚度要求，并且在浇筑过程中，由于模板要承受各种荷载的作用，所以要求模板具有结构的功能，在外荷载作用下不破坏，变形在允许的范围内；支撑采用扣件式脚手架支撑，浇筑过程中，无滑动和变形。

所做的三个试件除倾角之外，其他尺寸都相同，试件沿竖直方向高度为3.0m，截面尺寸0.8m×0.8m。采用c50混凝土制作。箍筋采用φ10mm钢筋，间距20cm；纵筋采用c12mm钢筋，如图2、图3所示。

压力盒拟布置在三个斜塔试件的底膜内侧，以及在60度的侧模内侧布置(模拟倾角为90度的情况)，分别在模板中部沿直线在高度方向每间隔0.5m布置一个，共布置6个。三个试件共布置24个压力盒。如图4、图5、图6所示为三个试件压力盒的布置示意图。

倾角为60度的倾斜塔柱的侧模板从上往下依次布置了6个压力盒，压力盒与水平面垂直，压力盒可看做是监测模板倾角为90度的情况下，模板侧压力的变化。所以本次试验虽然只布置了三个不同角度的倾斜塔柱，但是其实可以看做是监测分析四种不同倾角的塔柱模板侧压力的变化规律。

为研究在浇筑过程中产生的支架反力，在模板和支架的接触处布置荷载计，监测浇筑过程中产生的支架反力的变化，如图7、图8所示以45度倾角的试件为例，荷载计的布置示意图，最下方和最上方两个接触位置分别布置两个荷载计。

实验模型构建过程：

1)制作底座

为了保证三个倾斜塔柱的稳定性，需要提前制作底座。首先地面需要植筋，绑扎钢筋笼，搭建模板，浇筑混凝土。底座与地面通过植筋锚固，保证锚固结实。

2)搭建支架、模板及安装荷载计

首先搭建支架系统，然后在支架上安装荷载计，并在支架上搭建底模和侧模并进行适当调整，最后将钢筋笼按要求放入规定位置，完成模板系统的搭建。

3)安装压力盒

当试件的模板及支撑体系构建完成之后，进行压力盒的安装。图4、图5、图6为三种角度的压力盒布置示意图。压力盒沿模板从下往上按照设计依次布置。本次实验采用的压力盒为可拆卸重复利用的压力盒。为了保证压力盒的顺利安装及之后拆卸，在固定压力盒时，采用自行设计的固定装置及“ab”胶，两种固定方式相结合，如图所示为自行设计的固定装置，安装时，压力盒外侧有橡胶圈，套环和模板之间有橡胶垫，可以保证压力盒的密封性，有效避免漏浆。将压力盒放入套环中，在压力盒底部涂“ab”胶，将其粘在模板上，然后用螺丝固定套环，之后在底模打孔，将导线引出并固定，每安装一个压力盒，随即对其进行编号，安装完成之后，进行系统测试和预读数采集，保证设备可以正常使用。实验完成后，拆除模板，即可将压力盒取出。

图9、图10为压力盒固定装置

4)浇筑混凝土及数据监控

混凝土浇筑前需要测定混凝土坍落度，浇筑过程中采用人工控制浇筑速度，保证混凝土连续不断的倒入模板中，使其能达到类似连续浇筑的效果。同时在浇筑过程中，随时测定混凝土的各项指标，振捣时，同样测定混凝土温度及模板侧压力。在浇筑过程，每间隔10分钟，监测记录一次试验数据，浇筑完成之后，监测工作继续，试验完成之后的前24个小时，同样每间隔10分钟监测记录一次数据，之后各监测点模板侧压力的变化幅度较小，监测频率可降为每间隔30分钟监测一次，共监测53个小时。

五、监测数据

1、45度模型监测结果分析，如图11所示45度倾角塔柱各个监测点侧压力变化趋势图；

2、60度模型监测结果分析，如图12所示，60度倾角塔柱各个监测点侧压力变化趋势；

3、75度模型监测结果分析，如图13所示，75度倾角塔柱各个监测点侧压力变化趋势图；

4、60度倾斜塔柱侧模压力分布监测数据及分析(即模板倾角为90度)，如图14所示，模板倾角90时各个监测点侧压力变化趋势。

六、数据分析

1)侧压力变化规律分析

新浇混凝土对墩、柱模板产生的荷载不同于平台模板上的重力荷载，新浇混凝土水平向外顶推侧模的作用，类似水顶推容器壁。但和水压不同，混凝土压力是暂时的，当混凝土硬度已经足够支撑自身重力时，这种压力随即消失。在刚开始浇筑时混凝土为液态，对模板的压力呈线性分布，类似水压力分布；随着混凝土慢慢凝固，到初凝时混凝土已经成为半固态，墩柱模板受到的压力随之发生变化，逐渐减小；当混凝土完全凝固时，混凝土成为固体，理论上成为固体之后，墩柱的自身强度能承载自身的重力，此时侧模板的压力应该降为0；但是，混凝土固体体积的变化将影响它对模板的作用，取而代之的将是竖向压力和混凝土内部温度升高导致固体混凝土侧向膨胀在模板上产生的约束反力，当混凝土内部水化热完成，温度不在升高之后，受混凝土的收缩徐变影响，模板侧压力会再次减小。总的来说，浇筑过程中，模板侧压力受混凝土流动特性改变的影响，浇筑完成之后，模板侧压力的改变受混凝土体积膨胀和收缩徐变的影响。

本次试验的监测数据基本反映了上述模板侧压力的变化规律。由三个试件24个监测点的侧压力与时间的曲线图可知，各个测点的侧压力的变化规律基本相同，如图15所示为侧压力随时间的变化曲线；为方便之后的分析工作，定义在混凝土初凝时间内模板侧压力“第一次”出现的最大值为“峰值1”，浇筑完成之后在混凝土水化热反应，体积增大及收缩徐变阶段，模板侧压力“第二次”出现的最大值为“峰值2”。目前国内外规范中对模板侧压力的计算，都是针对的“峰值1”。

由图15可得当浇筑的混凝土埋入最下面测点压力盒之后，随着浇筑时间的增加，此处模板侧压力逐渐增加，其变化规律基本呈线性，随着浇筑时间的增加，侧压力会达到一个最大值；之后随着浇筑的进行，由于最下面混凝土开始初凝，侧压力随即开始减小；进而混凝土初凝完成，此时侧压力降到一定的值，在之后的时间，随着混凝土内部温度的升高，混凝土体积膨胀，侧压力逐渐增加；最后混凝土水化热反应完成，混凝土内部温度不再增加，混凝土发生收缩徐变，侧压力再次开始减小，至到减为零，模板脱离混凝土。其他上部测点压力盒埋入之后其变化规律相同。

2)模板最大侧压力分析

现浇混凝土模板最大侧压力实验值是与规范公式计算值对比的依据。所以首先找出每个试件中的最大模板侧压力，由图找出各个监测点在浇筑过程中出现的最大侧压力，而每个试件中6个监测点最大侧压力的最大值，为每个试件在浇筑过程中出现的最大侧压力，结果如表6-1所示。

表6-1各个倾角情况下模板最大侧压力实测值

使用现行规范或计算手册中的公式来计算4组试件的模板侧压力，并与实测值进行对比分析。

目前国内外针对模板侧压力的计算公式有很多，其计算目的都是得到浇筑过程中产生的最大侧压力，研究对象都是针对直立的桥塔、墩、柱或者墙，而对于倾斜塔柱模板侧压力的计算没有，其倾角对最大侧压力有何影响？如何影响？暂时研究较少。现有一个公式在其计算中考虑了模板倾角的影响，它是在《铁路混凝土梁支架法现浇施工技术规程》的基础上结合相关硕士论文等参考资料得出的，其公式如式(6-1)所示：

取以下两式较小者：

f＝γh

f＝β30.22γt0β1β2v^1/2(6-1)

式中:γ—混凝土容重；

h—混凝土高度；

t0—混凝土初凝时间；

β1—外加剂修正系数，不掺加外加剂时取1，掺加具有缓凝作用的外加剂时取1.2；

β2—混凝土坍落度修正系数，当坍落度小于30mm时取0.85；当坍落度为50mm-90mm时取1.0；当坍落度为110mm-150mm时取1.15；

β3—模板倾斜角度系数，取值为：β3＝1+0.23θ/30，θ：模板倾斜角度，其为与竖线的夹角；

v—浇筑速度。

公式(6-1)中规定斜塔倾角为斜塔与竖直方向的夹角，本试验模型规定的夹角为斜塔与水平线的夹角，计算过程中要注意倾角的取值。

但是此公式的适用性有待验证，所以针对这些问题，根据试验测得的数据，分析倾角对模板侧压力的影响，针对公式中的模板倾斜角度系数(β3)提出一些修正建议。

首先，将公式化简为两部分

f＝β3f1(6-2)

式中：f1＝0.22γt0β1β2v1/2，当混凝土料浆的物理特性及浇筑环境相同时，f1为一个定值。

首先找出每个试件中的最大模板侧压力，由表2-2、表2-3、表2-4和表2-5中的数据可知，三个试件(四种角度)的最大模板侧压力的大小及位置如下表所示，将浇筑参数代入公式(1-1)可得四种角度下的模板最大侧压力计算值，再求出其与实测值之间的绝对误差和相对误差，如表6-2所示。

表6-2实测值与计算值的对比

由表6-2可得最大模板侧压力与模板倾斜角度关系曲线的实测值和计算值，如图16所示。

由图16可知，随着试件倾角的增加，模板最大侧压力逐渐减小，其变化规律同公式(6-1)基本相同：倾角越大，最大模板侧压力越小，两者之间的相对误差最大值为10.2％，最小值为1.1％，相对误差平均值为4.35％，误差在合理范围之内，说明公式(6-1)对于本次模型试验模板侧压力的计算有一定的参考价值，比较适用于浇筑速度较小，浇筑方式为分层浇筑的情况。

在本次试验中，三个不同倾斜角度的塔柱，浇筑环境及所用混凝土都相同，则公式(6-2)中的f1为固定值，为18.216kpa。将实测的四种情况下的最大压力f及f1代入公式(6-2)可得四种情况下的β3，分别为：φ＝90度情况下(θ＝0度)β3＝1；φ＝75度情况下(θ＝15度)β3＝1.15；φ＝60度情况下(θ＝30度)β3＝1.26；φ＝45度情况下(θ＝45度)β3＝1.48。

采用matlab软件，将根据四组倾角情况下模板最大侧压力计算所得的β3及其φ进行最小二乘法拟合，可得关于β3和φ的一次线性回归方程：

β3＝1.92-0.0103φ，

将其转化为公式(2)中β3的形式，得：

β3＝1+0.309θ/30(6-3)

拟合的直线如图17所示。

通过对比最大模板侧压力的规范公式与实测值推得的公式，可得β3中的倾角系数由实测模板侧压力拟合出来的值要比计算公式中的值稍大，但相差较小。所以对于浇筑速度较小，浇筑方式为分层浇筑，公式(6-1)有一定的适用性。

3)侧压力沿高度分布分析

为了解侧压力沿墩身高度分布情况，根据监测时间段内各监测点实测最大值绘制侧压力沿高度分布曲线，取每个监测点侧压力最大值，如表6-3所示为各试件个监测点的最大模板侧压力数据。

表6-3各试件个监测点的最大模板侧压力数据/kpa

沿高度方向画出最大模板侧压力分布图，如图18-1、18-2所示分别为45度斜塔和60度斜塔试件模板侧压力沿高度的分布情况。

如图18-3、图18-4所示分别为75度斜塔试件和模板倾角为90度时，试件模板侧压力沿高度的分布情况。

由图18-1、图18-2、图18-3、图18-4可得四种角度模板侧压力沿高度方向的分布规律基本相同，模板侧压力最大值大致都出现在模板的中下部，而非最底部，具体位置与倾角的关系不明显。模板最大侧压力值出现的位置与混凝土的初凝试件和浇筑速度相关，理论上三个试件的浇筑速度和所用混凝土料浆相同，所以最大侧压力出现的位置应一致。

4)模板侧压力与温度的关系

为分析模板侧压力与混凝土温度变化的对应关系。以倾斜60度试件为例，各个监测点模板侧压力和温度随时间的变化趋势如图19所示。

注：图中浅色色曲线为模板侧压力；深色线为混凝土内部温度

图中曲线显示从混凝土开始浇注到混凝土初凝完成，温度呈线性上升，但幅度不大；而模板压力按照现浇混凝土模板侧压力的分布规律变化：先增大后减小；二者无相关关系。但在初凝之后的一段时间内，由图可得，温度升高，模板侧压力增加；温度降低，模板侧压力减小。说明温度与压力有一定的相关性，即二者之间存在相关关系。

七、结论

对计算斜塔模板侧压力的计算公式进行了验证，发现实测值与计算值相差不大；并根据试验监测数据对公式中的倾角影响系数进行了修正。给出了模板侧压力计算方法的修正建议，可为模板设计计算提供参考，在能保证模板工程的安全性前提下，降低不必要的经济损失。

所以修正的倾斜塔柱模板侧压力的计算公式为：

f＝γh

f＝β30.22γt0β1β2v^1/2

式中:γ—混凝土容重；

h—混凝土高度；

t0—混凝土初凝时间；

β1—外加剂修正系数，不掺加外加剂时取1，掺加具有缓凝作用的外加剂时取1.2；

β2—混凝土坍落度修正系数，当坍落度小于30mm时取0.85；当坍落度为50mm-90mm时取1.0；当坍落度为110mm-150mm时取1.15；

β3—模板倾斜角度系数，取值为：β3＝1+0.23θ/30，θ：模板倾斜角度，其为与竖线的夹角；

v—浇筑速度。

斜塔的模板侧压力分布规律同墩、柱、墙的分布规律相同，模板最大侧压力值不在构件的最底部，而是在中部或下部，施工过程中此处的模板支撑要加强，防止产生涨模。