混凝土对模板的侧压力.pdf
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国外建筑科学Vo19No3t991混凝土对模板的侧压力(加拿大)渥太华大学土木工程系博士NJGardner河北省建筑设计院许贤敏译重庆建筑工程学院胡玲校内吞提要关于新浇硷对垂直模板的侧压力,本文回顾T最新的文献资料。
为了模板设计之目的,侧压力的包络线可认为从自由表面到极限值是流体静力学的,扶此咀后即保持由极限值的常数。
极限侧压力是随着砼的密度、坍落度、粉煤友或矿渣的含量、外加荆、浇注的速度和震捣的增大而提高的,并随着砼温度的减少而提高从文献资料的回顾和实验室的试验结果,本文为模板设计提出了一种计算极限懈压力的方法。
作者把本文提出的ll压力计算法和英国建筑-T-k研完与情报协会(CIRIA)的方法,同工地与实验室的试验结果作7比较经过统计分析后得出结论,本方法比CIRIA的方法更加可靠。
1前言新浇混凝土作用在垂直模板上的压力,是施工工程师们所关切的,因为高估了些压力,就会大大增加模板的费用如果低估了些压力,则又会造成畸形的结构构件,有时甚至造成模板的破环。
普通的施工方法,混凝土是分层浇注到墙和柱的模板中去的,并分层振捣压实混凝土。
用插入式振捣器捣固混凝土时,振捣器只插入混凝土顶面的某一深度,只有在此深度内的混凝土才能受到充分的振捣,产生完全的流体压力。
当混凝土受到振捣时,其性能就像均质的稀浆(一种具有混凝土密度的流体)。
当混凝土由于振捣器拔出而不再成为流体,或混凝土远离振捣器时,较重的集料颗粒就会在水泥胶体中沉淀下来,而正在水化的水泥胶体就在较重的颗粒之间生成一种晶体结构。
在水化过程中,砂子和水泥颗粒结合在一起,形成一种较弱的颗粒结构水泥胶体的液相变得不太稠密了,因而孔隙液的压力降低了。
最后液体组分又恢复成水和全部结晶的固体。
如果由于某种原因,这种半凝固的混凝土发生膨胀,则液体的压力又会变大。
一旦液相不再继续,那么孔隙液的压力也就不再是流体静力学的了。
由颗粒结构作用的侧压力,是随着结构抗剪强度的发展而减少的,最后结构就能承担垂直荷戟r。
收稿El期l1991年3月7日44维普资讯http:
/2过去的研究工作在新浇混凝土对模板的压力方面,罗定(Rodin)回颐了已公布的实验数据,并且得出结论;影响侧压力的主要因素是浇注的速率、振捣、拌合物的稠度和配台比,混凝土的温度,混凝土的凝固时间,以及模板的尺寸和形状。
罗定总结说:
在使用外部振捣器的地方,模板应设计成全部流体静压力的,流体的密度与混凝土相同。
对于内部振捣的混凝土,罗定建议侧压力的包络线如图1所示。
对于温度为21时,坍落度为150毫米的1:
2:
4混凝土,其P和H由下列公式求出t163R,。
(米)235H(千帕)(1a)(2b)其中混凝土的密度假设为24O0公斤米。
,I4提发生最大压力时的水头高度(米),P为最大侧压力(千帕),月则为浇注速率(米小时)。
对于不同的配台比、坍落度和混凝土L巴一(a)JlI0一(白1圉l用于摸板设计的侧压力包络线的温度,罗定提出了修正曲线。
舍约德(Schojdt)利用土力学的概念,为压力包络线推导出一种理论模型,包括孔隙压力和侧压力系数。
在舍约德的推导中所考虑的因素是浇注速率、振捣器的插入深度、凝固时间、坍落度、模板的可渗性,以及模板的尺寸和形状。
由于该方法的复杂性,以及确定新浇混凝土强度性能的问题,舍约德的方法没有被大家所接受。
美国混凝土学会(ACI)第347委员会总结说:
影响侧压力的重要变数是浇注的速率,混凝土的稠度,集料的最大粒径,混凝土的温度,模板的光洁度和可渗性,模板的尺寸和形状,捣固的方法,浇注的方法,孔豫水的压力,水泥的种类和浇注的高度。
一维普资讯http:
/委员会建议,用于模板设计的侧压力包络线,在达到下列公式求出的极限值之前,应该是流体静力学的,从此以后即保持为被限值的常散。
若墙体的浇注速率R214米小时,则=7194。
慧7(千帕)(2a)尸235或958千帕若墙体的浇注速率为214月3米小时,则19+(千帕)(2b)尸235或1437千帕式中=模板的全高(米);尸:
侧压力的极限值(千帕)IR=浇注速率(米小时)T=温度()里奇(Ritchie)的论文,和里奇与马克道威尔(MeDoweu)的论文,都报导了许多实验室测定模板压力,和关于新浇混凝土的三辎试验工作。
亚当(Adam)等人对3米高x25米宽的大摸板(厚度是变化的),进行了实验室试验,借以研究水泥种类掺台料,集料粒径、浇注速率、坍落度和振捣对模板的影响。
此研究结果被总结为下列的侧压力公式。
若月2米小时,则尸=196+123月千帕)温度25(3c)若月2米小时,则尸=4014-198(千帕)度温5(3d)尸=3534-196(千帕)温度=15X3(3e)P=3244-196R(千帕)温度2622(3f)美国建筑工业研究与情报协会(CIRIA)对摸板的压力组织了一次大规模的现场研究,这是由水泥与混凝土协会进行的,研究报告是在1965年发表的。
CIRIA的研究提出了一个侧压力的设计方法,其中考虑了浇注速率、混凝土温度坍落度,模板的最小尺寸和振捣的连续性。
CIRIA设计法认为,在达到由较小的混凝土硬度和拱作用所限制的尸值之前,侧压力包络线是流体静力学的。
对P的最大值规定了任意限值。
按拱作用考虑。
尸=1437+0094d+314R(千帕)(4a)按硬度标准考虑尸=弋T4-(46-189R)(千帕)(4b)H。
【毒J但是P不得超过24h或1437千帕。
式中R:
浇注速率(米小时),46维普资讯http:
/d=最小的模型尺寸(毫米)=浇注开始的时间(小时)=硬化时间(小时)Ic=振捣系数=混凝土的单位重量h=浇注的高度。
口和t是由实验所得的图表确定的。
CIRIA由1978年出版了一份两页的计算图表,来代替公式(4a)和(4b)。
由于取公制的整数,并取极限侧压力的任意最小值为35千帕,故该设计图表比CIRIA原来的公式略为保守了些。
加德纳(Gardner)的论文,以及加德纳和奎列什(Querneshi)的论文,都报道了用装有仪表的大模板进行了一系列的实验室研究。
所考虑的变数是振捣的深度,振捣器的功率,浇注的速率,混凝土的温度,构件的尺寸和混凝土的坍落度。
为了计算极限侧压力,还提出了一个公式。
后来又用同样的仪表作了一次研究,就是研究超塑化剂和F型粉煤灰混凝土对侧压力的影响。
据发现,只要公式(5)中所用的坍落度,是使用超塑化剂后混凝土的坍落度,则公式就能为P提供适当的安全值。
粉煤灰混凝土的初始强度发展较慢,这就增大了对模板的压力,故对粉煤灰的百分率,在公式中引用了一个附加系数。
公式表明对粉煤灰混凝土给出了安全的设计值。
本文后面将要提到的比较表明,公式(5)也可用于矿渣水泥的混凝,只要用矿渣百分率代替粉煤灰的百分率即可。
T3000HP+_4d(0)+P:
24h(千帕)式中d=模板的最小尺寸(毫米)(不大于1000毫米)Ih=模板的全高(米)hi=振捣器插入深度(米)(不大于1米);P=振捣器的马力F=粉煤灰或矿渣的百分率I=使用超塑化剂后的坍落度(毫米),尺=挠注速率(米小时)。
关于模板压力的德国标准DIN18218,对各种流动性的内部振捣混凝土的),为计算其极限侧压力提出了一系列的公式。
P:
21+5R(千帕)(干硬性拌合料)a=19+10R(千帕)(塑性拌合料)P=18+14R(千帕)(流动性拌合料)(温度为I5(6a)(6b)(6c1一原文为“不小于1朱(tobenotlessthan1m)”,应为“:
T-戈于l米”之误一译者注。
维普资讯http:
/P=17+17月(千帕)(液态混凝士)(6d)式中R=浇注的速率(米小时)。
当混凝土的温度不是l5时,极限侧压力应予以调整。
温度低于15时,每低一度极限压力应提高3高于15时,每高一度极限压力应降低3,但降低的数值不得少于30。
啥里森(Harrison)公布了最近现场压力的实测结果,并且同美国混凝土学会和CIRIA的设计值作了比较。
啥里森的某些现场实测压力,是对矿渣水泥混凝土测定的。
本文还把CIRIA(1965年前)原来的现场数据,同美国混凝土学会和CIRIA的方法加以比较。
啥里森提出了一个孔隙水的压力理论,来解释侧压力问题。
5理论方法的比较由于对现行的施工方法缺乏许多文件资料的证明,所以任何模板压力公式的有效性是很难确定的。
最广泛的现场数据是cIRIA在1960与1962年之间提出来的,并用于推导cIRIA方法。
加德纳和奎列什的论文,以及加德纳的论文都研究了波特兰水泥混凝土,加超塑化剂的波特兰水泥混凝土和粉煤灰混凝土对模板的压力。
啥里森的研究结果包括波特兰水泥棍凝土、加超塑化剂的波特兰水泥混凝土,部分矿渣水泥混凝土和低热矿渣水泥混凝土。
CIRIA模板的压力法,加德纳建议的方法和公式(5),都同上述的试验数据作了比较。
要使用公式(5),必须知道或假设振捣器的插入深度,以及振捣器的功率与模制构件的尺寸之差系。
遗憾的是在CIRIA数据或咯里森的结果中,都没有这些数值。
因此为了比48-C-、雕tK1一R:
A1盂iJ!
t6,自试9:
岳图2CIRIA65eSK验数据同CIRIA计算压力的比较维普资讯http:
/较起见,假设振捣器插入混凝土的深度为l米,最小模板尺寸每300毫米的功率为l马力。
因为公式(5)是对最大与最小模板_尺寸为500毫米推导出来的、两以最小模板尺寸随意地限制为最大500毫米。
为了便于用图表说明,今把试验数据分成下列各营CIRIA1965年的原来数据,加德纳和啥里森的波特兰水泥混凝土数据,和加德纳与哈里森的非波特兰水泥混凝土数据。
在图2和3中,把CIRIA方法和公式(5)同CIRIA原来的现场数据作了比较。
实测压力小于3O千帕的试验结果均予舍弃,因为此压力对振捣混凝土束说是太低了些。
加德纳与奎列什,和加德纳与哈里森关于最近的波特兰水泥混凝土之谶结果,在图4和5中同CIRIA的数据和公式(5)加以比较。
严格地说,CIRIA方法是不能用于粉煤灰或矿渣混凝土的,但是哈里森用此方法同他的矿渣水泥混凝土之试验结果进行了比较。
非普通棍凝土(不包括粉煤灰摒凝土)的试验结果,在图6中同CIRIA方法加以比较。
莹式(5)同非普通水泥混凝土梵较,示于图7中。
、由图25可见,对波特兰水泥混凝土来说,建议的方法同CIRIA方法相比较,前者的不安全数据点较少。
对于加超塑化剂的波特兰水泥,粉煤灰或矿渣水泥混凝土,建议的方法I:
LCIRIA方法更可靠。
co,善消方法CIR工6试验数据,。
,一一,:
0,二;:
计算钧硬刀千帕)匿3CIRIA65的试验数据同扣德蚺计算压办的比较统计分析在说明试验结果方面,由图27撮难鉴别三种方j蛊的相对优_点。
管一)一u亿哥蠹,。
维普资讯http:
/5O晏收霹试谭街梗限压力(千帕)。
”Iit4普通特特兰水泥的试验数据同计算压力的比较一丧l趟嚣K计算的极脏千Iit5普通波特;at水泥的试验数据同加德纳计算压力的比较维普资讯http:
/这里所考虑的统计参数是实测压力与计算压力的比率,实测压力与计算压力的95f分布的可信度范围,相关系数,实测压力对计算压力的累积绝对误差和特殊相关系数。
由于实测压力与计算压力不是互相依存的,而是独立的变数,所以回归分析法是不适用的。
同样,相关系数与累积绝对误差只是拟合优良度的两个指标。
95可信度的范围指数由下式计算相关系数的公式为指数=平均值一95fx标曰:
圣Q=9(J一1)o0o,cII方;袁试验数据:
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普通旋荷兰艰汜1起塑化剞一j孳。
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l1一一50“,0计算的被牦力(千蛳;DLS0T图6非普通波特兰水屁的试验数据同cIRIA计算压力的邑较1,特殊相关系数的公式为。
曰。
=三呈等一厶uI。
累积的绝对误差(IA)由下式计算51维普资讯http:
/厂、罂一年!
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LH尸5Fc普通溘冀兰近十趋塑化加俘构哈里森i050I幻计尊自0彼限力(千帕周7非普通波特兰水泥的试验结果同加德纳计算压力的比较IAE一式中0。
=观测值,P;=计算值。
表1中的试验结果分成下列各组。
CIRIA关于波特兰水泥混凝土的原来数据加德纳和啥里森关于波特兰水泥混凝土的最新数据,以及单独加超塑化剂的混凝土,矿渣水泥混凝土和粉煤灰承泥混凝土。
波特兰水泥混凝土的五项相容性指标(标准偏差,95可信度,相关系数,特殊相关系数和累积绝对误差),每一项都说明公式(5)CIRIA方法更加符合于实际情况。
对波特兰水泥混凝土来说C1RIA方法免强优于公式(5)的唯一指标,是1965年CIRIA原来的结果,同加德纳和哈里森的最新试验结果的平均值。
对于矿渣水泥混凝土来说,CIRIA方法比公式(5)更遁合的结果是平均值,95可信度,特珠相关关数和累积绝对误差。
可是CIRIA原来的数据是对波特兰水泥混凝土推导出来的,其平均值约为08。
矿渣水泥混凝土对模板的压力较高因此试验压力与律算压为维普资讯http:
/1试验结某对设计方涪的统计分毒试验数据理论方法察次数I一ICIRIA6iCIRIAl61l加德纳。
16普通波特ICIRIA661兰水泥删德纳66l_一一I粉煤灰iCIRIAI一水泥0加德纳11l啕值;标准偏差酱器丢相燕系数特殊相关系散累积绝对误i80f027l286046047040。
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s052084035,831029289019076O4O78018f209063088029_一93011I37O670080128024075028019之比率,其平均值就会提高。
我们把原方法中人为的保守主义去掉了,因此明显地“改善了统计平均值和95可信度可是标准偏差的一致性就较差了。
对于加超塑化剂的混凝土,除了平均值之外,公式(5)比CIRIA方法好。
为了完善起见,必须指出,在推导CIRIA的原方法时,混凝土的坍落度大于150毫米是不可想像的期望用任何经验得出的公式,去准确地适应实测的结果,这是不现实的。
一种好的理论在实铡的与讳算的平均值为o809,标准儡差约为020时是保守的。
使用此樽标时,对加超塑化剂的混凝土或矿渣混凝土使用CIRIA方法须小心。
建议的方法比CIRIA法始终是更可靠的,就像对普通波特兰水泥混凝土那样,对粉煤灰矿渣和超塑化剂混凝土都可使用。
4规范条款规范条款的最好形式是用一个公式,把一团可能的参数对模板压力的影响都考虑进去这显然是不现实的。
比较切台实际的方法是提出一个简化的方法或公式,来计算主要的参数,井从现象上说明在各种施工条件下可能发生的情况。
5影响侧压力的因素综观文献资料,下列因素可认为对侧压力问题是重要的。
混凝土的奢谴由混凝土的固态相产生的侧压力,是与混凝土的水下容重成正比的,但是由液态相产生的侧压力,则只与液态相的密度成比例。
已公布的试验结果,只与普通重量的混凝土有关。
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/摄捣一,如果混凝土是用插,人式振捣器捣固的,那么振捣器的插八深度,振捣器的功率和振捣的延续时间,都影响着对模板的侧压力。
若为外部振捣时,模板应设计成全高都是流体静压力的。
I新摄擒如果使用重新振捣,那么模板必须按重新振捣时,振捣器的插八深度来设计。
辏斜构件的尺寸模制构件的最小尺寸越大,对模板的侧压力也就越大,这是很容易证明的,因为侧壁的剪力比混凝土的质量要小钢筋的摩擦阻力可减少对模板的佣压力。
沮廑新浇混凝土的力学性能(可间接地用凝固时间来度量),是混凝土温度的函数。
温度越低,混凝土的水化就越慢,混凝土力学性能也就发展得越慢,因此混凝土作用在模板上的侧压力就越高。
正是混凝土的温度(而不是周围的温度)控制着混凝土的水化作用。
浇注逮率浇注的速度越快,混凝土发展强度可供利用的时间就越少,所以极限侧压力就越大。
坍落崖坍落度是混凝土早期新剪强度的一个尺度。
试验证明,混凝土的和易性越好,侧压力也就越大。
超童纯拱甩超望化剂来提高拌合物的坍落度或和易性,同非塑化混凝土相比,作用在模板上的最大侧压力增加丁。
超塑亿荆提高流动性的作用时间是很短的,因此视在强度的增长速率比普通混凝土高很多趣塑化剂的效率是与温度有关的,并以各种专利的品种而不同。
膏囊藏坍落度试验表明,用粉煤灰来代替混凝土中的部分水泥,可提高混凝土的流动性,同时也降低了强度增长的速率。
因此用粉煤灰代替部分水泥制成的混凝土,其对模板的压力比同样坍落度的混凝土要高。
矿渣水混用混台的高炉矿渣和波特兰水泥制成的混凝土,其作用在模板上的侧压力,高于普通波特兰水泥混凝土。
外加捌能降低混凝土强度增长率的任何外加剂,都会增加对模板的压力秉送混凝土如果混凝土是从模板的底部泵送的,那么模板的设计必须考席全部的流体静压力,加上泵送压头。
麝胀水混用收缩补偿水泥和膨胀水泥制成的混凝土,在模板中产生的力大于按全部流体静压力的计算值。
使用这种水泥的工程和承包商,应对模模进行严密的监铡,并在混凝土发生明显膨胀之前拆除模扳。
54维普资讯http:
/5设计方法为了设计模板起见,最好把公式(串曲马r力璃取袖j饭嚣罐;哟嘻米的断面宽度为34马力。
P=z舸+矗+()+t千帕,ca。
式中d=模板的最小尺寸(毫米)(不大于1000毫米);摸板的全高(米)hi=振捣器插入深度(米)(不大于1米)F=粉煤灰或矿渣的百分率I=使用超塑化剂后的坍落度(毫米)屈=浇注遵率(米小时)+此外,浇注述率狠低时,混凝土的凝固可认为是一个上限。
假设混凝土的凝固时间为4小时(与温度无关),则其上限即为P96R(千帕)(7b)最后,压力不得大于流体静压力,故Pw24h(千帕)(7c)6结论为了进行摸板设计,侧压力的包络线可取为从自由表面到极限值为流体静力学的,以后即保持为常数。
极限悄压力是随下列各项的增大而增加的t混凝土密度、混凝土坍落度、粉煤灰或矿渣水泥的含量、外加剂、浇注速率、铺设的振捣速率,并随温度的下降而增大。
本文提出的计算极限压力的方法,在统计学上始终是比CIRIA方法更可靠的参考文蕾I】译自英国“ThensttutonofCiviEngineers1990年第-Vo18O第145159页鬻原文为“6a”,应为“7a”之谥。
后面的_“7b和“7c”等,均与此相同译者汪鬻原文尚有“HP;振捣嚣的-5力”,因,厶式(7a)中并不此喳,拄手略善译音注S5维普资讯http:
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