美國ASCE施工設計荷載規(guī)范的理念與啟示

周　威，胡亞輝

(1.哈爾濱工業(yè)大學 土木工程學院，150090 哈爾濱；2.結構工程災變與控制教育部重點實驗室(哈爾濱工業(yè)大學)，150090 哈爾濱)

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美國ASCE施工設計荷載規(guī)范的理念與啟示

周威1,2，胡亞輝1,2

(1.哈爾濱工業(yè)大學 土木工程學院，150090 哈爾濱；2.結構工程災變與控制教育部重點實驗室(哈爾濱工業(yè)大學)，150090 哈爾濱)

摘要:為對施工階段的未完整結構進行設計和分析，保證施工安全，應明確施工過程中結構可能受到的各類外部作用(荷載)及其效應.通過介紹美國ASCE施工設計荷載規(guī)范在施工階段的荷載種類、設計值及荷載組合等內容，著重分析了其施工荷載及荷載系數的取用方法，施工荷載與恒載、活載、環(huán)境荷載及側向土壓力組合方法等，對比分析了中國現行標準的相關內容.建議應吸收ASCE施工規(guī)范理念，充分考察施工階段荷載的不確定性，引入施工荷載取值、荷載分項系數建議值，編制自成體系的中國施工荷載標準.

關鍵詞:ASCE；施工設計荷載規(guī)范；施工荷載；荷載系數；環(huán)境荷載

結構服役期內所承受的建筑荷載及其作用效應的確定是建筑結構設計和分析的重要前提，以往國內外對建筑結構使用階段的荷載十分重視，其取值及荷載組合等在相關規(guī)范中具有明確規(guī)定.由于建筑結構的施工階段是結構混凝土強度由無到有發(fā)展的過程，也是整體結構逐步形成與完善的過程，而且施工階段還存在著施工結構與支撐體系的相互作用，相比施工完成后形成整體的建筑結構，施工階段結構受力更為復雜，尤其是所承擔的施工階段荷載及其作用效應的不確定性較服役期的建筑結構更為明顯[1-4].由于施工階段荷載、荷載組合及其對施工結構的作用效應的不確定性和復雜性，造成施工階段未完成結構的安全性和風險性預測問題更為突出，相應的設計和分析方法也還在完善和發(fā)展中[5-8].事實上，發(fā)生在建筑結構施工階段的大量工程事故，常與施工荷載取值的不合理及其作用效應的復雜性直接相關.

美國多項規(guī)范對結構施工已有相應規(guī)定，OSHA與ANSI規(guī)定了腳手架的設計要求，AASHTO與FHWA對臨時橋梁的荷載組合和荷載系數提供了附加指導.其中，美國土木工程師學會(ASCE)自2002年即頒布了《結構施工設計荷載ASCE37-02》[9](簡稱ASCE施工荷載規(guī)范)，使結構施工階段荷載取值與荷載組合有據可依，也為施工結構的分析與相應支撐體系、模板體系的設計提供了有效支持.中國雖在《混凝土結構工程施工規(guī)范》[10]中對模板荷載的取用等做出了具體規(guī)定，并在《建筑結構荷載規(guī)范》[11]相關條文中部分體現了結構施工荷載的問題，但目前中國尚未頒布專門的施工荷載規(guī)范，不利于施工結構的分析與施工設計驗算的進行.為此，介紹了美國結構施工設計荷載規(guī)范ASCE37-02的基本構架與荷載種類、設計值及組合情況，并與中國現行標準的相關內容進行對比分析，發(fā)現了ASCE施工荷載規(guī)范中施工荷載的取用與服役階段的使用荷載在理念上的相似性和獨特性.為中國未來施工階段荷載標準的制定或相關標準的修訂提供參考.

1施工階段荷載

ASCE施工荷載規(guī)范中結構施工階段主要包含5類荷載：恒載D、活載L、側向土壓力CEH、環(huán)境荷載和施工荷載.

在結構施工階段，已建永久結構的自重稱為恒載；施工階段活載是在施工過程中由于結構使用而產生的荷載，與正常使用階段的活載有所不同.

1.1環(huán)境荷載

環(huán)境荷載包括風荷載W、雪荷載S、地震作用E、雨荷載R、冰荷載I、溫度荷載T.

雪荷載按PS=0.7CeCtCsIPg計算，I為結構重要性系數，雪荷載系數由反映建筑采暖情況的熱力系數Ct，周圍環(huán)境對建筑遮擋效應的遮擋系數Ce和屋面坡度的傾斜系數Cs共同決定[9].冬季施工時應考慮雪荷載，但要根據工期長短對雪荷載進行折減.當工期為5 a和小于5 a時，雪荷載折減系數為0.8，大于5 a時為1.0.相對而言，中國荷載規(guī)范的雪荷載計算公式為Sk=μrS0，只有一個反映屋面坡度影響的積雪分布系數(相當于美國規(guī)范里的傾斜系數)，難以全面反映雪荷載的影響因素，實際上雪荷載受屋面溫度、地形地勢、風速風向、建筑朝向等因素的影響不容忽視，需要綜合考慮多方面因素才能確定雪荷載大小.

風荷載速度風壓按公式qz=0.613KzKztKdV2計算，Kz代表風速壓力暴露系數、Kzt代表風壓高度變化系數、Kd代表風向系數[9].結構風荷載的計算考慮了加速風區(qū)的影響，并規(guī)定對非封閉框架內部每一構件內力計算都要考慮風荷載.考慮到施工階段設計風速出現的可能性較按50 a重現期的設計風速小，根據施工工期長短將基本風速乘以0.75～0.9的折減系數得到施工階段設計風速.中國《建筑結構荷載規(guī)范》規(guī)定風荷載作用面上同一高度上風荷載大小相等，沒有考慮局部風速增強的影響，對內部構件的設計也并未計入風荷載的作用.對于建筑形體不規(guī)則的建筑，將風荷載平均分布確有不合理之處，勢必將導致風壓加強部位考慮不足；而且結構在施工時，結構形體與完成結構存在差異，多數結構外圍還并未形成封閉式結構，有必要考慮風荷載在施工階段與使用階段的差異性以及風荷載對內部構件的作用.

當結構施工期需要考慮地震作用時，應對地震重現期進行折減，ASCE7-95規(guī)定的有效峰值加速度系數Aa和有效峰值速度系數Av應乘以0.2～1.0之間的系數；對于臨時支撐體系的反應修正系數R不應小于2.5.對雨荷載、冰荷載、溫度荷載等環(huán)境荷載還分別規(guī)定了相應的使用限制條件.

1.2施工荷載

施工荷載包括施工恒載CD，固定材料荷載CFML，可變材料荷載CVML，人員和設備荷載CP，水平施工荷載CH，安裝和裝配荷載CF，設備反力CR，混凝土側壓力CC以及其它可能出現的施工荷載.

2荷載系數與荷載組合

2.1荷載系數

為反映施工荷載的不確定性，ASCE施工荷載規(guī)范基于ASCE7-95的基礎上，對施工荷載也規(guī)定了如表1所示的荷載系數.全部施工荷載均有其荷載系數，取值時考慮了隨時間的變異性，施工荷載出現的可能性，以及施工荷載下結構安全性等問題.考慮到全部可變荷載同時出現最大值的可能性較小，提出了APT荷載值；APT荷載值等于荷載標準值乘以小于1.0的APT荷載系數.ASCE施工荷載規(guī)范中的荷載系數相當于中國相應規(guī)范規(guī)定的荷載分項系數，相對而言，ASCE施工荷載規(guī)范給出的系數值較中國荷載分項系數總體偏大[9,12].

表1　荷載系數

注：活載L、人員和設備荷載CP、水平施工荷載CH、風荷載W、雪荷載S的APT荷載系數為0.5，可變材料荷載CVML、安裝和裝配荷載CF的APT荷載系數通過分析確定.

2.2荷載基本組合

ASCE規(guī)范考慮了恒載、活載、環(huán)境荷載與施工荷載共同作用的5種情況，給出了如表2所示的施工階段荷載組合的兩種形式，分別適用于按極限狀態(tài)設計法和容許應力設計法.

表2給出的荷載組合是基于一階受力分析，將荷載效應疊加并取最不利效應組合進行設計.

表2　荷載基本組合

對于極限狀態(tài)設計法的荷載基本組合，施工階段施工恒載CD存在時間相對較長，與結構恒載D作用性質相似，因此，二者荷載系數取值相同，當考慮風和地震作用時取0.9，當僅有施工荷載和材料荷載組合時取1.4，其他組合取1.2.在考慮最不利荷載效應組合時，適當考慮了施工階段荷載的排斥性，相關性及小概率性，合理摒棄了一些不影響結構安全性的荷載與荷載組合.對于施工工期較短的工程，合理忽略了部分施工荷載和環(huán)境荷載；考慮到對施工環(huán)境的要求，有雪荷載時不能正常施工，因此雪荷載一般不參與組合；當風與地震參與組合時，人員和設備荷載以及活荷載達到最大值的可能性很小，采用APT荷載值，且明確指出風和地震作用可不同時考慮，僅需要考慮最不利效應即可；同樣，水平荷載也不與風荷載和地震作用同時考慮.中國規(guī)范規(guī)定與此類似，在考慮地震荷載的組合時，風荷載的組合值系數對于一般結構取0，對于風荷載起控制作用的建筑(如60 m以上的高層混凝土結構)采用0.2.兩者規(guī)定均是考慮到了風與地震同時出現的概率很小這一因素.

對于容許應力設計法的荷載基本組合，組合時應采用荷載標準值，同時也考慮了反號荷載效應的抵消作用以及組合時的荷載折減.

3作業(yè)面的支撐結構

在設計承受施工荷載的模板平臺等作業(yè)面的支撐結構時，需按照材料荷載、人員荷載、設備荷載和其他可能出現的施工荷載的組合來確定最不利效應.對于在建結構，施工方法和施工階段不同，施工荷載通常也不相同，導致支撐結構的計算較為復雜.由于施工荷載考慮不當所引起的工程施工事故較為常見，如某體育活動中心施工階段，由于箱梁混凝土澆筑時一側大量布設流態(tài)混凝土導致局部施工荷載效應大于模板支架體系的承載能力，造成其整體垮塌，見圖1.ASCE施工荷載規(guī)范根據工作面的施工情況，把施工工藝綜合統(tǒng)一起來，將工作面劃分為4個等級(見表3)，并將施工荷載組合值等效為均布荷載，設計者僅需要根據施工作業(yè)情況對應相應的操作等級，采用規(guī)定的均布荷載值計算支撐體系的內力.中國《混凝土結構施工規(guī)范》中模板與支架仍是根據荷載效應組合進行設計的，其中模板及支架自重、新澆筑混凝土自重、鋼筋自重需要根據施工圖確定、新澆筑混凝土對模板側面的壓力、施工人員及施工設備荷載、泵送混凝土及傾倒混凝土等因素產生的荷載、風荷載需要通過計算確定.通過施工等級確定工作面的均布荷載值，大大簡化了設計過程，但需要設計者對施工過程要有精確把握，對各種可能出現的施工荷載種類與大小分析到位，精確判定施工等級.

圖1　某體育活動中心施工事故現場

操作等級均布荷載/(kN·m-2)極輕負荷:人員稀少,手工具,非常少的材料荷載.0.96輕負荷:人員稀少,手工操作設備,輕質材料.1.20中等負荷:人員集中,一般施工材料.2.40重度負荷:通過機動車放置材料,重型施工材料.3.59

4啟示與建議

1)施工階段結構安全性評價和支架模板等施工措施設計時，應全面考慮施工階段荷載的不確定性，細化荷載取值和荷載分項系數，并應有針對性地進行施工階段荷載效應分析與效應組合.

2)應重視施工階段的環(huán)境荷載及其取用方法，尤其是與施工階段天氣條件相關的雨、雪、風、冰荷載以及地震作用等.

3)在整合和集成現有相關標準中涉及施工階段荷載取值的基礎上，宜編制自成體系的中國施工荷載標準.

參考文獻

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(編輯趙麗瑩)

The understanding of SEI/ASCE37-02∶design loads on structures during construction

ZHOU Wei1,2, HU Yahui1,2

(1.School of Civil Engineering, Harbin Institute of Technology, 150090 Harbin,China；2.Key Lab of Structures Dynamic Behavior and Control(Harbin Institute of Technology), Ministry of Education,150090 Harbin, China)

Abstract:To design and analyze the incomplete structure during construction and ensure construction safety, it is necessary to clarify all kinds of external actions (loads) and their effects during construction. This paper presented the load types, design values of the loads and load combinations in the Design Loads on Structures During Construction in the construction stage, and emphatically focused on the determining procedure of construction loads and load factor, the combination method of construction load and dead load, live load, environmental load and lateral earth pressure, then compared them with Chinese current standards. It is proposed to compile the codes for construction loads in China systematically using the concept of ASCE construction specification, investigating the uncertainty of load in the construction stage, and introducing the proposed values of construction load and load factors.

Keywords:ASCE; design loads on structures during construction; construction loads; load factors; environmental loads

中圖分類號:TU711

文獻標志碼:A

文章編號:0367-6234(2016)06-0185-04

通信作者:周威，zhouwei-hit@163.com.

作者簡介:周威(1977—)，男，副教授，博士生導師.

基金項目:國家自然科學基金(51108124); 中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金(HIT.KISTP.201428); 黑龍江省應用技術研究與開發(fā)計劃項目(2013G0763).

收稿日期:2015-06-11.

doi：10.11918/j.issn.0367-6234.2016.06.029