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施工期鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)安全分析的探討

文檔作者：曹軍1，劉西拉2 文檔來源： 1. 上海建科建設監(jiān)理咨詢有限公司2. 上海交通大學船舶海洋與建工學院		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年02月21日
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施工期鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)安全分析的探討

曹軍1，劉西拉2
（1. 上海建科建設監(jiān)理咨詢有限公司，200032；  2. 上海交通大學船舶海洋與建工學院，200032）

[摘要] 結(jié)構(gòu)在施工過程中的平均風險率遠高于使用期，對施工期鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進行安全分析與控制，就必須對施工期間荷載在部分完成的結(jié)構(gòu)和支撐系統(tǒng)之間的傳遞進行分析與研究?，F(xiàn)行的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范和施工規(guī)范不能對施工期鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的受力進行合理分析，因而無法對施工期結(jié)構(gòu)的安全進行有效的控制。國內(nèi)目前推廣應用的部分施工期結(jié)構(gòu)安全計算軟件也不能很好地對施工期鋼筋砼結(jié)構(gòu)進行受力分析，清華大學土木工程系與北京第七建筑工程公司合作開發(fā)出一套人機交互的“施工期鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)安全分析與控制軟件-SAC”，能對施工期整個階段每次施工步驟對各樓層受力的影響進行分析，具有較好的科學性與嚴謹性
 [關(guān)鍵詞] 施工期砼結(jié)構(gòu)安全分析；砼結(jié)構(gòu)施工規(guī)范；PKPM施工安全設施軟件；SAC軟件

1、前言
建筑結(jié)構(gòu)的生命周期大致可分為三個階段：施工階段、使用階段、老化階段[1] [2] ，大量統(tǒng)計資料表明，結(jié)構(gòu)在施工過程中的平均風險率遠大于使用期。在我國，約有三分之二的工程破壞事故出現(xiàn)在施工過程[3]。
施工期現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，新澆筑的樓層混凝土結(jié)構(gòu)的重力荷載和施工活荷載通常由模板系統(tǒng)支撐，模板支撐又將荷載傳給先前澆好的數(shù)層樓板上。由于施工周期短，這些承擔施工荷載的樓板混凝土仍處于養(yǎng)護期，構(gòu)件的強度還在發(fā)展，剛度也在變化，而這些樓層承擔的施工荷載有時會達到甚至超過成熟混凝土結(jié)構(gòu)正常使用狀態(tài)所承擔的設計荷載，由此造成現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量事故增加，嚴重的會使模板支撐臨時結(jié)構(gòu)以及現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)垮塌。因此，必須有足夠的支模層數(shù)，必要時甚至需要提高樓板的設計荷載，以得到所需要的承載力來支承外荷載[4] [5]。但從經(jīng)濟角度來看，既不能過多的增加支模層數(shù)，也不宜過大地提高樓板的極限承載力。只有準確把握現(xiàn)澆樓板的荷載傳遞規(guī)律，才能既達到經(jīng)濟的目的又滿足安全的要求。施工期現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的高事故率從某種方面反映了現(xiàn)行設計理論和方法對施工階段現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)安全性分析還不夠完善，同時相關(guān)施工規(guī)范對施工期鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的安全控制也不夠全面，因此，對高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)施工期的受力特性分析對于控制施工期建筑倒塌事故和質(zhì)量事故具有重大的理論與現(xiàn)實意義。
關(guān)于施工期結(jié)構(gòu)安全的分析，1963年，美國學者P.Grundy和A.Kabaila[6]等人就對高層建筑施工中的荷載傳遞與支模層數(shù)進行了探討與研究，提出了簡化手算結(jié)構(gòu)分析方法，給出了施工中荷載傳遞的系數(shù)。此法簡單明了，便于現(xiàn)場施工使用，美國混凝土協(xié)會（ACI 347-88）推薦在混凝土模板工程中使用這一方法。此后，一些學者通過大量的實驗對ACI提供的方法進行了檢測?？傮w認為簡化方法低估了樓板的最大荷載，但還是可以接受的[7]。1983年我國學者劉西拉建立了施工期結(jié)構(gòu)分析的三維有限元法——精化方法（refined method）[8]。此方法更精確的描述了施工過程，對板的邊界條件、地基剛度、柱的軸向變形、板的形狀、以及混凝土和支撐徐變等非線性因素進行了全面的研究，把對高層混凝土建筑施工過程中樓板的荷載傳遞問題的分析推上了一個新的高度，此外，陳惠發(fā)[8] [9]、李惠明[10] [11]、 段明珠[12] [13]、李瑩[14]等也在此理論基礎(chǔ)上，對施工時變結(jié)構(gòu)體系進行了深化。 
最終，清華大學的學者方東平、祝宏毅和劉西拉[15] [16]等人對清華大學法學樓框架結(jié)構(gòu)進行了現(xiàn)場測試，較全面地對結(jié)構(gòu)施工過程中的荷載、材料、內(nèi)力、變形等特征進行了全周期的測量。通過對新澆筑的樓板內(nèi)鋼筋應力和其下支撐荷載觀測，發(fā)現(xiàn)新澆筑的混凝土樓板在養(yǎng)護期間隨著其強度、剛度的增長，由最初不承擔任何荷載，逐漸開始分擔自重荷載，通過對現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的分析和討論，得到了結(jié)構(gòu)在施工過程中的基本特征以及荷載傳遞的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著新澆樓板強度和剛度的增長，環(huán)境溫度的變化、混凝土早期徐變等作用將導致其逐漸承擔其結(jié)構(gòu)自重，從而使整個結(jié)構(gòu)的荷載不斷地進行新的分配。在此基礎(chǔ)上，清華大學土木工程系與北京七建合作，開發(fā)了時變結(jié)構(gòu)分析軟件-施工期鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)安全分析與控制軟件SAC，該軟件已通過鑒定，獲北京市科技進步獎[17]。

2、目前國內(nèi)對施工期混凝土結(jié)構(gòu)安全控制的主要方法
目前，國內(nèi)對高層混凝土結(jié)構(gòu)施工期安全的控制主要是通過相關(guān)規(guī)范條文進行控制，同時，在一些城市，已有部分施工單位及監(jiān)理單位利用相關(guān)工程軟件進行計算，輔助編制施工方案，并在具體施工過程中，利用工程軟件計算作為施工期混凝土結(jié)構(gòu)安全控制的參考依據(jù)。本文就目前國內(nèi)對高、多層砼結(jié)構(gòu)施工期安全控制常用辦法進行討論，以某一具體工程實例，探討一下目前國內(nèi)施工期砼結(jié)構(gòu)安全控制的現(xiàn)狀及存在的問題。
2.1 工程實例：
上海某購物廣場，建筑面積86000平方米，地下一層，上部結(jié)構(gòu)九層。整個工程地下、地上結(jié)構(gòu)全為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)?；炷恋燃墳镃30，樓板均為10cm厚。層高除底層為5.9米外，其它樓層均為5.4米。本文選取其典型框架部位進行分析。該部位主梁400*1200mm，次梁400*1000mm，樓板跨度3m，厚10mm，配筋為上下兩皮φ12@150mm，板截面配筋率為1.58%，柱尺寸為800*800mm。
根據(jù)本工程施工方案，模板腳手架體系備料為：梁板模板腳手架體系準備二套半，腳手采用φ48×3.5鋼管支撐，腳手管間距1.0*1.0m，模板采用高密度竹夾板，重量為0.25KN/m2。由于本工程單層建筑面積很大，有1萬多建筑平方米，每層施工周期較長，為14天施工一層樓面。頂層混凝土澆注1天后，底層支撐拆除，因此每層樓面拆模時，該層混凝土養(yǎng)護時間達到14天。
 
圖1：九百城市廣場框架結(jié)構(gòu)剖面圖

2.2 施工規(guī)范對本工程施工期結(jié)構(gòu)安全的控制
目前，國內(nèi)施工主要是通過執(zhí)行相應規(guī)范規(guī)定來對施工期鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)安全予以控制。根據(jù)中華人民共和國《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》[18] GB50204-2002（2002年4月1日實施）第4.3.1條規(guī)定：底模及其支架拆除時的混凝土強度應符合設計要求。當設計無具體要求時，混凝土強度應符合表4-1的規(guī)定。檢查數(shù)量：全數(shù)檢查。檢驗方法：檢驗同條養(yǎng)護試件強度試驗報告
表1：   底模拆除時的混凝土強度要求
構(gòu)件類型	構(gòu)件跨度（m）	達到設計的混凝土立方體抗壓強度標準值的百分率（％）
板	≤2	≥50
	>2, ≤8	≥75
	>8	≥100
梁、拱、殼	≤8	≥75
	>8	≥100
懸臂構(gòu)件	-	≥100

由于本工程板跨3m，根據(jù)規(guī)范要求，現(xiàn)澆砼強度達到其自身設計強度的75%時即可拆除板底模。就該工程而言，根據(jù)砼強度溫度發(fā)展曲線，14天砼強度超過了其本身強度的75%，且現(xiàn)場同條件砼養(yǎng)護試塊抗壓強度達砼設計強度的84%，因此，14天板底拆模符合規(guī)范規(guī)定。

2.2 PKPM施工安全設施軟件對本工程施工期結(jié)構(gòu)安全的分析與控制
PKPM施工安全設施計算軟件是由中國建筑科學研究院--建筑工程軟件研究所開發(fā)，由上海市建筑工程質(zhì)量安全監(jiān)督總站與之合作研制的一項最新施工計算軟件，已通過國家鑒定，是目前國內(nèi)質(zhì)量安全監(jiān)督總站向全國施工企業(yè)、監(jiān)理單位大力推廣使用的軟件。該軟件內(nèi)含有模板支撐系統(tǒng)設計與計算模塊，可以對施工期鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)拆模的安全進行分析。
利用PKPM施工安全設施計算軟件，對該工程支撐結(jié)構(gòu)體系進行計算：
（1）	計算樓板強度說明及建模
驗算樓板強度時按照最不利考慮,樓板的跨度取3.00m，取1m寬度的板帶作為計算單元，樓板承受的荷載按照線均布考慮。1米寬度范圍內(nèi)配筋2級鋼筋，配筋截面積As=1580.0mm2，fy=300.0N/mm2。鋼筋混凝土自重取值25KN/M3，模板自重0.25KN/M2，傾倒混凝土荷載標準值2.0KN/M2，施工均布荷載1.0KN/M2。板的截面尺寸為 b×h=1000mm×100mm，截面有效高度 h0=80mm。
輸入?yún)?shù)界面如圖2所示：
按照樓板每14天澆筑一層，所以需要驗算14天、28天、42天...的承載能力是否滿足荷載要求，其計算簡圖如圖3所示。

（2）	計算過程
計算樓板混凝土14天的強度是否滿足承載力要求：
樓板跨度范圍內(nèi)擺放4排腳手架，將其荷載轉(zhuǎn)換為計算寬度內(nèi)均布荷載。
第2層樓板所需承受的荷載為：
   取1m寬度的板帶作為計算單元，每米寬板帶所承受均布荷載q=12.09kN/m，
板帶所需承擔的最大彎矩為：
 
驗算樓板混凝土強度的平均氣溫為15.00℃，查溫度、齡期對混凝土強度影響曲線，得到14天后混凝土強度達到79.20%，C30.0混凝土強度近似等效為C23.8。
混凝土彎曲抗壓強度設計值為 
則可以得到矩形截面相對受壓區(qū)高度：
 
查表得到鋼筋混凝土受彎構(gòu)件正截面抗彎能力計算系數(shù)為
 
此層樓板所能承受的最大彎矩為：
 
結(jié)論：由于 ，第14天以后的各層樓板強度足以承受以上樓層傳遞下來的荷載，所以第2層以下的模板支撐可以拆除。

2.3施工期鋼筋砼結(jié)構(gòu)安全分析軟件SAC對施工期結(jié)構(gòu)安全的控制
根據(jù)清華大學土木工程系與北京七建合作開發(fā)的施工期鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)安全分析軟件-SAC，按照該工程的圖紙及施工方案，對該工程模板支撐方案進行計算，計算結(jié)果見表2。
表2：某工程施工期結(jié)構(gòu)安全計算數(shù)據(jù)表
施工工序	施工天數(shù)	樓層	最大剪力	最大正負
彎矩
（跨中，支座）	每層荷載傳遞系數(shù)	可靠度（β）
（1層澆砼）	0	1*	0	0	0	
1（2層澆砼）	14	1	8.17	3.3；-4.04	1.38	10
		2*	0	0	0	
2（1層拆支撐）	15	1#	3.04	0.81;-1.31	1.38	10
		2	3.14	0.40;-1.27	1.52	
3（3層澆砼）	28	1	2.46	0.27;-0.94	1.38	10
		2	9.13	3.68;-4.48	1.38	10
		3*	0	0	0	
4（2層拆支撐）	29	1				
		2#	3.09	0.74;-1.39	1.38	10
		3	3.09	0.39;-1.23	1.52	
5（4層澆砼）	42	2	3.65	0.82;-1.30	1.38	10
		3	9.11	3.73;-4.48	1.38	10
		4*	0	0	0	
6（3層拆支撐）	43	2				
		3#	3.09	0.72;-1.42	1.38	10
		4	3.09	3.09;-1.23	1.52	
7（5層澆砼）	56	3	3.64	0.87;-1.25	1.38	10
		4	9.12	3.73;-4.48	1.38	10
		5*	0	0	0	
8（4層拆支撐）	57	3				
		4#	3.09	0.72;-1.42	1.38	10
		5	3.09	0.39;-1.23	1.52	
9（6層澆砼）	70	4	3.64	0.86;-1.25	1.38	10
		5	9.12	3.73;-4.48	1.38	10
		6*	0	0	0	
從SAC軟件計算結(jié)果可以看出，該工程采用配二套半梁板模板支撐，14天建一層，樓板養(yǎng)護到14天時拆底層模板支撐的施工方案是安全可靠的，此時各層梁板在施工階段的最低安全系數(shù)均為10，可以說很安全。

3.國內(nèi)對施工期結(jié)構(gòu)安全控制辦法存在問題的探討
3.1對規(guī)范在施工期結(jié)構(gòu)安全控制方面的分析
（1）	規(guī)范操作比較簡單，只要現(xiàn)場澆筑砼時留置同條件砼養(yǎng)護試塊，根據(jù)砼構(gòu)件跨度及同條件養(yǎng)護試塊強度即可確定是否允許拆模，這樣做便于在施工過程中進行控制；
（2）	規(guī)范僅僅從砼構(gòu)件跨度及結(jié)構(gòu)拆模時梁板砼強度達到砼設計強度的百分比即判定拆模時砼結(jié)構(gòu)的安全性，應該說這只是一種施工經(jīng)驗的總結(jié)，是一個定性的概念，并無科學的定量分析。構(gòu)件抗彎能力除與鋼筋及砼強度有關(guān)外，只與構(gòu)件的截面尺寸有關(guān)，與構(gòu)件跨度是無關(guān)的。而拆掉底模后，梁板所需承受的最大彎矩，按照均布荷載來算(最常見的施工荷載受力狀況)，其彎矩與構(gòu)件跨度的平方成正比，因此，2m跨度與8m跨度的砼梁板，相同施工荷載條件下，構(gòu)件所受最大彎矩相差16倍，而規(guī)范在2-8m跨度情況下，采用一刀切的方式，均要求砼強度達到設計強度75%即可拆模，即不經(jīng)濟也不安全。
（3）	規(guī)范對施工期梁板的結(jié)構(gòu)安全控制，僅僅通過檢查底層梁板拆模時砼強度是否達到規(guī)定要求，顯得不夠全面。因為上部結(jié)構(gòu)施工荷載的不同，包括是否有大的施工堆載、是否建新層，都對底層梁板的受力狀況大有影響，而規(guī)范對這些情況均不予考慮，忽視了每個具體工程的特殊性。
（4）	當然，作為統(tǒng)一指導施工的規(guī)范來講，不可能也很難做到規(guī)定的很詳細，但至少可以看出，我們在施工過程中，僅僅依靠規(guī)范條文來控制施工期的梁板結(jié)構(gòu)安全是不夠的。

3.2 對PKPM軟件在施工期結(jié)構(gòu)安全控制方面的分析
    從2.2節(jié)計算內(nèi)容可以看出，作為目前國內(nèi)大力推廣應用的PKPM施工安全設施軟件，其在處理施工期砼結(jié)構(gòu)的梁板安全控制方面，還存在以下值得商榷之處：
（1）	PKPM軟件的優(yōu)點在于計算過程淺顯明了，立即可以得出支撐層數(shù)及相應的計算過程，為施工單位編寫施工方案及計算書提供了很大的便利。
（2）	PKPM軟件在對施工期砼結(jié)構(gòu)的梁板安全控制方面，不足之處在于：
1）	在計算底層梁板所承受的施工荷載時，PKPM軟件將其通過支撐聯(lián)系起來的上層梁板自重全部作為底層樓板承受的施工荷載，這一點忽略了施工期混凝土是一個時變結(jié)構(gòu)的這一點。當對底層樓板所承受的施工荷載進行計算時，其上層混凝土樓板的剛度、強度均在迅速增長，通過位移變形協(xié)調(diào)，其上層樓板必將能承受相當一部分其自重荷載，而PKPM軟件將其上層的梁板自重全部作為底層樓板承受的施工荷載，與實際情況是不相符的，如此計算，夸大了底層梁板拆模驗算時其承受的施工荷載，從結(jié)果上看是偏于保守的。
2）	與規(guī)范存在問題一樣，PKPM軟件在驗算底層模板是否可拆時，僅對底層拆除模板后即將承受的現(xiàn)有施工荷載進行了計算。但是，根據(jù)大多數(shù)工程實踐經(jīng)驗，工程施工荷載情況千變?nèi)f化，比如，底層拆模之后，很快將會在頂層搭設支撐建新層，而此時建新層新增加的施工荷載將通過支撐聯(lián)接的幾層混凝土梁板的結(jié)構(gòu)位移協(xié)調(diào)新增加到底層混凝土梁板上。因此，盡管上部建新層時，底層混凝土樓板齡期有所增加，但所受施工荷載也將有明顯增加，是否安全還需驗算，PKPM軟件未考慮這一點。
3）	目前，高層砼框架結(jié)構(gòu)，樓板基本上均為連續(xù)板，PKPM軟件在驗算時，僅對板的跨中彎矩進行了計算，依據(jù)混凝土的時間溫度曲線算出板跨中抗彎能力大于施工荷載引起的板跨中彎矩，即可得出拆除該層模板安全的結(jié)論。但是，有時連續(xù)板的支座負彎矩是大于其跨中彎矩的。通過SAC軟件對本文工程實例計算結(jié)果就可以看出，板的支座負彎矩即大于其跨中彎矩值，因此，PKPM軟件僅僅對板的跨中彎矩進行計算，而不考慮板的支座負彎矩是不全面的。
4）	PKPM在對是否可拆除底層模板進行計算時，僅對底層樓板進行計算也是欠妥的。因為，施工期通過支撐體系連系在一起的各層樓板是一個相互影響的時變結(jié)構(gòu)體系。如果底層樓板下部支撐拆除，勢必整個時變結(jié)構(gòu)體系將發(fā)生位移協(xié)調(diào)變形，底層上面的樓板其所承受的施工荷載必將有所增加。而此時上層樓板的混凝土養(yǎng)護時間相對較短，因此該層樓板通過位移協(xié)調(diào)增加的施工荷載有可能會對該層樓板造成破壞。而且，如果拆掉底層樓板下的支撐，立即在頂層建新層的話，底層上面的樓板所承受的施工荷載也必將有所增加。因此，是否可拆除模板，應該不僅對要拆模的底層樓板進行強度驗算，還應該對其上面的每一層樓板的強度進行驗算才更妥當，也更安全。

3.3 對SAC軟件在施工期結(jié)構(gòu)安全控制的分析
（1）	通過本文概述中提到的SAC計算原理及2.3節(jié)計算內(nèi)容可以看出，SAC軟件是將施工期的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)作為一個時變結(jié)構(gòu)來考慮的，它對施工期整個階段每次施工步驟對各樓層受力的影響均進行受力安全分析，因此相對來講，它更具有科學性與嚴謹性。
（2）	SAC軟件能夠給出施工中各種關(guān)鍵步驟，包括裝支撐、裝模板、澆筑混凝土、施加荷載、拆除支撐等與施工期鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)安全密切相關(guān)的施工操作的力學模型，并對任意狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)安全進行分析，給出結(jié)構(gòu)施工是否安全的提示，從而在施工前和施工中對實際施工情況進行分析和模擬，判斷該步施工是否安全，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量和安全的全過程控制。同時，該軟件的計算結(jié)果可以給出任意狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)分析的計算結(jié)果信息，如某跨某斷面的彎矩、彎矩總量、彎矩增量、剪力、剪力總量、剪力增量、撓度總量及撓度增量等，從而為工程技術(shù)人員對各種操作下的施工情況作出科學分析。
（3）	SAC軟件可對各種不同模板施工方案，如不同施工周期、不同氣溫、不同支模層數(shù)、不同支撐剛度、不同拆模時間等條件進行調(diào)試演算，因此，SAC軟件可很方便簡捷地對樓板模板施工方案進行優(yōu)化，對方案中的不足之處予以彌補。

4、結(jié)語
在中國廣闊的土地上正在進行著世界上最大規(guī)模的基本建設。工程建造階段的風險多來自設計、施工的失誤和疏忽[3]。為解決上述問題必須全面突破傳統(tǒng)格式。這不僅在空間上要由個別構(gòu)件的分析擴展到整個結(jié)構(gòu)及其耦聯(lián)系統(tǒng)的分析；更重要的是在時間上，要由單純的重視使用階段延伸到考慮施工、使用和維修全過程。合理的工程安全水平是關(guān)系到國民經(jīng)濟發(fā)展和企業(yè)經(jīng)濟效益的重要問題，鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)在整個生命周期中應該有一個較為統(tǒng)一的、符合生命周期各個階段特點的安全水平，這個安全水平客觀上是由經(jīng)濟發(fā)展決定的。而目前鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工規(guī)范還沒有給企業(yè)提供這樣的標準，施工企業(yè)也缺乏科學分析和控制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工期安全水平的方法和手段。
本文分析了目前我國對施工期混凝土結(jié)構(gòu)梁板安全控制的幾種方法，通過比較驗證，從理論分析及工程實踐的角度驗證了SAC軟件在施工期混凝土結(jié)構(gòu)安全分析方面所具有的科學性和嚴謹性。我們完全有理由相信，通過實踐對SAC軟件進一步完善，使SAC軟件盡早為我國工程技術(shù)人員服務，這對提高我國的施工技術(shù)水平，幫助工程技術(shù)人員從過去憑經(jīng)驗和規(guī)范規(guī)定轉(zhuǎn)化未通過理論計算對施工期的結(jié)構(gòu)安全性進行把握，從而提高我國鋼筋混凝土工程在施工期的結(jié)構(gòu)安全性將帶來很大的幫助。

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