不同规范对现浇混凝土结构侧模板水平荷载规定的差异分析

蒲吉见

(中铁南方投资集团有限公司，广东 深圳 518054)

0 引 言

模板、支撑的荷载设计值是根据各行业标准、规范的规定，先计算或确定荷载标准值、分项系数，再按基本组合、标准组合表达式，确定荷载效应的组合设计值。目前《铁路混凝土支架法现浇施工技术规程》(TB 10110—2011，以下简称“铁支规”)、《建筑施工模板安全技术规范》(JGJ 162—2008以，下简称“建模规”)对荷载种类，侧模板水平荷载的分项系数、标准值的确定、荷载效应组合表达式做了详尽规定，而《公路桥涵施工技术规范》(JGT/T 3650—2020)规定模板、支撑的结构设计可采用建模规相应规定[3]，且不是强制条文，对荷载组合的规定又与铁支规一致。由于不同行业的建筑结构既有相似之处，结构构造又有较大区别，怎样准确理解差别十分重要，如果工程技术人员未能充分理解、掌握这些区别，导致模板设计不是偏于保守，徒增工程成本，就是强度、刚度不够，稳定性差，存在安全隐患。因此有必要梳理不同行业规范对现浇混凝土结构侧模的水平荷载设计值的计算方法，分析其不同规定之间差异原因，让工程技术人员更准确的理解、掌握、使用规范。

1 荷载分类

作用在结构上的荷载按其作用的时间属性，可分为永久荷载、可变荷载、偶然荷载[1]，作用在侧模上的水平荷载主要包括永久荷载、可变荷载，施工作业起吊工器具到混凝土灌注工作面，有可能出现撞击模板的偶然冲击荷载，但出现对模板抗倾覆不利得概率很小。

铁支规、建模规均规定，侧模水平荷载包括新浇筑混凝土对侧模产生的压力荷载、内部振捣混凝土产生的水平荷载、倾倒混凝土产生的水平荷载、风荷载，铁支规均将其规定为可变荷载，而建模规将新浇混凝土产生的水平荷载规定为永久荷载，分析系数为1.2或1.35，其它荷载规定为可变荷载。

2 荷载标准值计算

2.1 铁支规对新浇混凝土侧模水平荷载标准值计算的规定

铁支规规定，侧模板的结构设计、安装加固措施设计，其水平荷载分别按式(1)、(2)计算[2]、[3]，并取两式的较小值，当梁高大于3 m时，若计算值<50 kN/m2时，取50 kN/m2

Pm=0.22γct0k1k2v0.5

(1)

Pm=k1γch0

(2)

式中：Pm为新浇混凝土对模板的最大侧压力，kN/m2；γc为素混凝土重度，取24 kN/m3；t0为混凝土初凝时间，h，目前泵送混凝土塌落度110～180 mm、外掺缓凝剂缓，现场测试初凝时间在8 h左右；k1为外加剂修正系数；不掺外加剂取1.0，掺外加剂取1.2；k2为混凝土入模坍落度修正系数；坍落度h=30 mm时，取0.85；h=50～90 mm时，取1.0；h=110～180 mm时，取1.15；v为混凝土浇筑速度，m/h(沿模板高度方向)；h0为混凝土的有效压头高度，m；

当v/t<0.035时；h0=0.22+24.9v/t

当v/t≥0.035时；h0=1.53+3.8v/t

式中：t为混凝土入模温度 ℃。

分析式(1)、(2)可知，侧模水平荷载值大小，主要受混凝土初凝时间t0、灌注速度v变化影响较大。混凝土初凝时间受混凝土入模温度、环境温度、水泥种类与特性的影响，在特定条件下其变化范围、幅度是确定的，可现场测试的。而混凝土的灌注速度的变化较大，影响的因素也较多，其中影响最大的是结构的尺寸、钢筋的密集程度、混凝土灌注方法等因素，灌注速度因不同的结构、不同的施工设备存在较大差别，要准确确定灌注速度，有必要开展现场测试与研究。

有效压头高度与混凝土灌注速度、入模温度有关，铁规规定入模温度采用现场测定温度，问题是专项施工技术方案需要在方案实施前，按规定流程报审，因此在编制方案时，入模温度只能根据项目现场环境、类似工程经验确定，如果在项目现场区域有类似结构工程正在施工，可提前测试混凝土的入模温度借用。混凝土入模温度受项目所在地域、施工环境温度影响较大，在冬季高寒地区冬期施工，入模温度不得低于5 ℃、否则需要采用升温技术措施，春秋季节考虑15 ℃、夏季一般地区20、热带地区夏季施工不得高于25 ℃，否则需要采取降温技术措施。统计分析铁路工程C35混凝土入模温度数据，初凝时间在7～9 h间，在以t0=8 h计算侧模板水平荷载有效压头高度。

混凝土灌注速度是指沿模板高度方向的速度，可根据混凝土灌注所需总时间，结构的高度计算即v=H/T，以公路桥梁盖梁灌注速度为例，若灌注混凝土所需时间为5 h，假定有盖梁高度2.6 m，则灌注速度v=2.6/5=0.52 m/h，以混凝土入模温度T=15 ℃、20 ℃，计算分析不同入模温度条件下，模板水平荷载的变化情况。

(1)按初凝时间、灌注速度计算模板水平荷载标准值

P1=0.22γct0k1k2v0.5=0.22×24×8×1.2×1.15×0.520.5=42 kPa

(2)按有效压头高度计算模板水平荷载标准值

当混凝土入模温度T=15 ℃、浇筑速度v=0.52 m/h时，则

v/T=0.52/15≈0.035

h0=1.53+3.8v/T=1.53+3.8×0.035=1.66 m

当混凝土入模温度T=20 ℃、浇筑速度v=0.52 m/h时，则：

v/T=0.52/20=0.026<0.035

h0=0.22+24.9v/T=0.22+24.9×0.026=0.86 m

按不同入模温度计算的有效压头高度计算模板水平荷载的标准值有

鉴于模板方案设计的设计是在工程实施前完成的，混凝土入模温度由方案编制者根据自己的工作经验确定，在编制方案阶段，基础数据的确定，也存在与实际偏差较大的几率，因此提前在项目现场针对高大模板结构的混凝土配比，开展混凝土入模温度的测试，是十分必要的，对于研究内容，在模板支架方案实施过程中，可针对特定条件的混凝土浇筑工程，开展入模温度、模板侧压力测定，验证现行规范的合理性。

铁支规未明确新浇混凝土模板水平荷载标准值的分布，这是规范使用者的盲点。

2.2 建模规对新浇混凝土侧模水平荷载标准值计算的规定

建模规规定的侧模板水平荷载标准值按公式(1)、(3)计算[2]。

P2=γcH

(3)

式中：H为计算位置至新浇筑的混凝土面高度，本位置是否应在水泥初凝时间以内，本规范未做规定，其它符号与前述公式同。

混凝土初凝时间t0可现场试验确定，无试验数据时，按下式t0=200÷(T+15)[1]计算，T为混凝土入模温度，通过多种方法回归分析发现，采用自然对数表达两变量之间函数关系，相关性最强，两变量之间也可用t0=-3.427ln(T)+16.171对数函数表示，相关系数R2=0.999 2，为强相关。但是，由于混凝土的初凝时间受水泥品种、入模温度、环境温度影响，施工现场常根据环境温度、气候条件、工艺要求，人为调整混凝土的初凝时间，想通过现场测试不同条件下的混凝土入模温度与初凝时间，分析两变量之间的关系，不但工作量大，而且难以采用函数关系准确表达其相关性，因此铁规并没有采纳本公式。

按建模规规定，假定混凝土初凝时间t0=8 h，则模板水平荷载计算如下

P1=42 kPa

P2=γcH=24×2.6=62.4 kPa

P2计算值与按铁规规定计算的结果比较，当混凝土入模温度T=15 ℃时，差异较大，当入模温度T=20 ℃的计算结果接近。

计算结果取小值Pm=P1=42 kPa。

2.3 其它可变荷载标准值取值

(1)铁支规对侧模其它水平荷载的取值规定与计算表达式

①振捣混凝土产生的水平荷载标准值Q1取4.0 kN/m2。

②倾倒混凝土冲击荷载Q2取2.0 kN/m2，这里未明确是否为侧模水平荷载。

③风荷载标准值ωk=0.7μsμzω0

其中ωk为风荷载标准值，kN/m2，μs为风荷载体型系数，μz为风压高度变化系数，ω0为基本风压，kN/m2，当无设计规定时，按《建筑结构荷载规范》(GB 50009)规定采用，目前该规范最新版为GB50009—2012。

本规范未规定振捣混凝土工况，水平荷载作用范围，未明确不考虑倾倒混凝土工况产生的水平荷载原因。

(2)建模规对侧模其它水平荷载取值规定与计算表达式

①振捣混凝土产生的水平荷载标准值Q1取4.0 kN/m2，作用在有效压头高度范围。

②倾倒混凝土产生的水平荷载标准值Q2，根据不同的施工工况进行了规定，具体规定表1，作用在有效压头高度范围。

表1 不同工况下水平荷载规定值表

③风荷载标准值按《建筑结构荷载规范》(GB 50009)相关规定计算，重现期10年，风振系数βz=1.0[1]。

通过以上比较发现在铁路、建筑行业，模板水平荷载标准值得规定差异较大，除振捣混凝土产生的水平荷载标准值取值相同外，建筑规范对倾倒混凝土工况产生的水平荷载标准值，根据结构浇筑方法的不同，其取值做了详细规定，同时规定了振捣混凝土工况水平荷载的作用范围，风载的重现期。

3 荷载的设计值与荷载组合

3.1 荷载设计值与分项系数

在计算模板、支架结构的强度、刚度、稳定性时，采用荷载设计值，荷载设计值为组合荷载标准值与荷载分项系数的乘积，荷载分项系数不是简单将设计荷载放大，也不是传统意义上的安全系数，它通过一个大于1的系数，定义荷载的不确定性与结构的可靠度之间的关系，该系数是基于概率统计计算的结果，安全系数法只是概率统计系数近似表达[5]。对于现浇混凝土结构模板水平荷载的分析系数，铁支规均将水平荷载划分为可变荷载，荷载分项系数1.4，建模规水平荷载的分类与分项系数具体规定见表2[2]。

3.2 荷载组合

荷载组合分基本组合、标准组合，结构的承载能力极限状态设计，按基本组合表达式计算荷载效应组合的设计值；结构的正常使用极限状态设计，按标准组合表达式计算荷载效应组合的设计值，荷载组合设计值的表达式，铁支规与建模规对荷载效应组合表达式的规定存在差异，究其原因，应该是建筑行业的结构构件小，荷载差异性大，模板对荷载变化敏感，而铁路行业结构构件较大、荷载作用相对明确。

表2 不同工况下水平荷载分项系数表

(1)基本组合

建模规规定的基本组合荷载效应的组合表达式如下，并取其最不利值，作为荷载组合设计值。

永久荷载控制时，S=1.35SG+1.4×0.7SQ，式中可变荷载组合值系数为0.7。

可变荷载控制时，S=1.2SG+1.4S1Q；S=1.2SG+0.9∑1.4SQ，两表达式与《建筑结构荷载规范》(GB 50009)第3.2.3条第一款有差异。

铁规规定的基本组合荷载效应的组合表达式为S=1.2SG+1.4(SQ1+∑ΨJSQJ)，与《建筑结构荷载规范》(GB 50009)第3.2.3条第一款规定一致，本条是在国标GB 50009中明确的由可变荷载控制的荷载组合效应设计表达式，但铁规未对其说明，也未具体规定可变荷载的组合值系数。式中SQ1为主导可变荷载，ΨJ为其它可变荷载的组合值系数，具体取值未做规定，J>1。

由此可见基本组合，两本规范都部分参照了国标GB 50009，并且有各自不同。

(2)标准组合

标准组合的荷载效应设计值表达式，建规规定：S=SG，即为永久荷载标准值组合；铁支规规定：S=SG+SQ1+∑ΨJSQJ，可见除主可变荷载外，其它可变荷载需要乘组合系数。

3.3 侧模的水平荷载组合表达式及其值计算

按铁支规规定计算模板及支撑的强度、刚度、稳定性时，其荷载效应组合表达式不组合倾倒混凝土产生的冲击荷载，具体计算如下。

计算强度时采用基本组合：1.4(Pm+Q1)=1.4(42+4)=64.4 kN/m2

计算刚度时采用标准组合：Pm

完成模板安装但未安装钢筋工况的模板稳定性采用基本组合：0.9×1.4ωk，本条为铁支规特别规定[3]。

按建模规的规定在计算模板及支撑的强度时采用基本组合，并根据结构尺寸不同，采用浇筑混凝土时最不利工况的荷载组合。

当梁、拱、柱最小尺寸≤0.3 m，墙厚≤0.1 m时，由于结构断面小，瞬间倾倒灌注混凝土量小，冲击荷载小，振捣混凝土产生的水平荷载不利，故按下式组合

1.4(Q1+Pm)=1.4(4+42)=64.4 kN/m2。

当梁、拱、柱最小尺寸0.3>m，墙厚0.1>m时，由于结构断面较大，瞬间倾倒混凝土量较多，冲击产生的水平荷载比振捣混凝土工况更为不利，因此按下式组合

1.4(Q2+Pm)=1.4(Q2+42)

当采用料斗容量V容量≥0.8 m3倾倒混凝土时，Q2分项系数为1.3，基本组合表达式为1.3Q2+1.4Pm，组合荷载设计值=1.3×6+1.4×42=66.6>64.4。当采用其它工具卸料灌注混凝土，荷载组合设计值按1.4(Q2+Pm)计算，其计算结果小于等于1.4(Q1+Pm)计算值，目前工程施工采用泵送混凝土导管倾倒混凝土，Q2的基本值为2 kN/m2，小于振捣混凝土的4 kN/m2，故此铁支规未规定组合倾倒混凝土工况荷载。

计算刚度时采用标准组合：Pm

建模规未对模板的稳定工况规定荷载组合效应的设计值表达式。

4 荷载效应组合值的线形分布

浇筑混凝土侧模板结构设计，需要绘制沿计算高度范围的水平荷载效应的组合值，新浇混凝土侧模水平荷载标准值分布情况。由于铁规未明确振捣混凝土工况水平荷载作用范围，在实际工作中，均考虑其作用在计算高度范围，因此与建规比较，二者的组合值分布是存在较大差异的。

5 结 语

通过比较铁支规、建模规对现浇混凝土侧模水平荷载的分类、标准值与设计值、分项系数、荷载组合等规定的分析比较，作者认为两部规范主要存在以下差异。

(1)规范对水平荷载主荷载标准值的计算、其它荷载的取值规定基本是相同，但按铁支规定水平荷载的基本组合值大于建模规，原因在于新浇混凝土侧压力产生的水平荷载的分类不同，同时铁支规又规定了标准值的最小值；振捣混凝土产生的水平荷载的作用范围不同。

(2)由于建筑工程结构复杂，建模规根据不同的结构尺寸，规定了两种基本组合，结构尺寸较小时，组合振捣混凝土水平荷载，结构尺寸较大时组合倾倒混凝土水平荷载，而铁支规为考虑倾倒混凝土工况。

(3)未定义计算高度，实际工作中一般取计算高度为侧模板的高度，且在全高度范围混凝土浇筑完成前，应不会出现混凝土初拟现象，否则荷载组合的设计值与实际情况会议较大误差。

水平荷载的大小还与混凝土灌注速度、入模温度、初凝时间密切相关，但这些参数又受多方面因素影响，寻求建立反映各中因素的本构模型是困难的，可以通过开展相关数据的测试研究，验证现有规定、优化或重新建立水平荷载的计算模型，为规范的修编提高工程案例与数据，推进建设领域施工技术不断进步。