梁式支架施工活荷載合理取值方法

武道凱，趙玉紅，張文學(xué)，費(fèi)愷

（1.北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京100124；2北京城建亞泰建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京100013）

梁式支架施工活荷載合理取值方法

武道凱1，趙玉紅1，張文學(xué)1，費(fèi)愷2

（1.北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京100124；2北京城建亞泰建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京100013）

施工活荷載具有區(qū)域性的特點(diǎn)，只作用在施工工作面上。在通常的臨時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論中，施工活荷載施加在整個(gè)混凝土澆筑面上，當(dāng)混凝土澆筑面積較大時(shí)，這可能會(huì)使結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)驗(yàn)算時(shí)承受過多本不存在的荷載，造成設(shè)計(jì)過于保守。為研究通常的施工活荷載取值方法的保守程度，以梁式支架為例，首先介紹了現(xiàn)行臨時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論對于施工活荷載的取值方法，然后從理論及實(shí)際工程兩個(gè)層面上分析了這種取值方法的保守程度，最后提出了梁式支架施工活荷載的合理取值方法。

臨時(shí)結(jié)構(gòu)；梁式支架；施工活荷載；合理取值；施工工作面；混凝土澆筑面

在橋梁施工領(lǐng)域，梁式支架是施工時(shí)一種常用的支架，因具有能夠跨越河流、道路的優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛應(yīng)用。梁式支架屬于施工臨時(shí)結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)驗(yàn)算時(shí)，必須考慮在施工過程中包括施工人員和設(shè)備的自重、混凝土振搗等帶來的施工活荷載。施工活荷載具有區(qū)域性和時(shí)變性特點(diǎn)，其作用時(shí)并非存在于整個(gè)混凝土澆筑區(qū)域（其面積稱為混凝土澆筑面積），而只存在于施工工作面內(nèi)，即澆筑區(qū)域內(nèi)澆筑施工時(shí)施工機(jī)具布置及工人操作所占的面積范圍內(nèi)，且隨施工過程而變化。然而現(xiàn)有設(shè)計(jì)理論中施工活荷載往往是施加在整個(gè)混凝土澆筑區(qū)域，而不是施工工作面內(nèi)。那么當(dāng)整個(gè)混凝土澆筑區(qū)域較小，即與施工工作面相近時(shí)，這種取值方法可能較為合適，但當(dāng)整個(gè)混凝土澆筑區(qū)域遠(yuǎn)大于施工工作面時(shí)，采用相同的施工活荷載取值方法則可能導(dǎo)致支架承受過多本不存在的荷載從而造成經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)。

目前，關(guān)于臨時(shí)結(jié)構(gòu)施工活荷載多是對其荷載標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行研究［1-4］，關(guān)于施工活荷載作用范圍的研究較少。同時(shí)，我國現(xiàn)行關(guān)于臨時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的規(guī)范，并沒有對不同大小的混凝土澆筑區(qū)域給出不同的施工活荷載標(biāo)準(zhǔn)值，而是采取了歸一化的處理方式。為此，本文首先根據(jù)規(guī)范中施工活荷載大小并結(jié)合現(xiàn)有的支架設(shè)計(jì)理論，從理論上分析了不同大小混凝土澆筑面積下對于施工活荷載考慮的保守程度，然后結(jié)合實(shí)際梁式支架測試結(jié)果進(jìn)行分析，最后提出了梁式支架施工活荷載的合理取值方法。

1　梁式支架設(shè)計(jì)中施工活荷載取值方法

1.1現(xiàn)行規(guī)范對施工活荷載的規(guī)定

對于施工活荷載的大小，相關(guān)規(guī)范主要有《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T F50—2011）［5］、《鐵路混凝土與砌石工程施工規(guī)范》（TB 10210—2001）［6］和《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》（JGJ 162—2008）［7］，3個(gè)規(guī)范對于施工活荷載的規(guī)定是相同的：對施工人員和設(shè)備荷載，根據(jù)驗(yàn)算部位的不同而取不同的荷載標(biāo)準(zhǔn)值；對于混凝土振搗荷載，則不區(qū)分驗(yàn)算部位，統(tǒng)一取值；同一部位的荷載標(biāo)準(zhǔn)值并沒有因混凝土澆筑面積的不同而取不同的數(shù)值，詳見表1。

表1　現(xiàn)行規(guī)范對于施工活荷載的規(guī)定kN/m2

1.2荷載在設(shè)計(jì)驗(yàn)算時(shí)的取值方法

梁式支架在設(shè)計(jì)驗(yàn)算時(shí)，要對相關(guān)的荷載進(jìn)行荷載組合，得到施加在結(jié)構(gòu)上的均布荷載。以承載力驗(yàn)算為例，需要考慮的荷載：梁體鋼筋混凝土自重G1k、模板、支架自重等恒荷載G2k；施工人員和澆筑設(shè)備的荷載Q1k、振搗混凝土產(chǎn)生的振動(dòng)荷載Q2k等施工活荷載。當(dāng)不考慮風(fēng)載時(shí)，按恒荷載效應(yīng)控制組合，得到組合后的均布荷載

式中：γG為恒荷載分項(xiàng)系數(shù)，取1.35；γQ為施工活荷載分項(xiàng)系數(shù)，取1.4。

將組合后的荷載施加到整個(gè)混凝土澆筑面上進(jìn)行承載能力驗(yàn)算，致使施工活荷載作用范圍是整個(gè)混凝土澆筑面，因而施工活荷載大小是根據(jù)整個(gè)混凝土澆筑面確定。

2　施工活荷載取值方法保守程度研究

為了分析現(xiàn)有的設(shè)計(jì)理論對施工活荷載取值的保守程度，將分別從施工活荷載與混凝土澆筑面積的關(guān)系以及施工活荷載不同取值方法導(dǎo)致的差值與支架設(shè)計(jì)總荷載的關(guān)系2個(gè)方面進(jìn)行研究。為了便于分析，做出以下假定：

1）當(dāng)混凝土澆筑面積A（或者混凝土施工總面積）≤A1（1個(gè)施工作業(yè)組完成的混凝土澆筑面積）時(shí)，由1個(gè)施工作業(yè)組完成，當(dāng)A＞A1時(shí)，由2個(gè)施工作業(yè)組共同完成混凝土澆筑；

2）施工作業(yè)組可以獨(dú)立完成混凝土澆筑工作，其施工工作面面積一定，設(shè)為A0。正常情況下，A0≤A。

2.1施工活荷載總值與混凝土澆筑面積的關(guān)系

施工活荷載總值Pw按混凝土整個(gè)澆筑區(qū)域計(jì)算

按施工工作面計(jì)算，只有1個(gè)施工作業(yè)組時(shí)，施工活荷載值

當(dāng)有2個(gè)施工作業(yè)組時(shí)，施工活荷載值

2種取值方法的差值，僅1個(gè)施工作業(yè)組時(shí)

當(dāng)有2個(gè)施工作業(yè)組時(shí)

施工活荷載總值隨混凝土澆筑面積變化曲線如圖1所示。

圖1　施工活荷載總值與混凝土澆筑面積關(guān)系

從圖1可以明顯地看出，按混凝土澆筑區(qū)域計(jì)算的施工活荷載總值隨混凝土澆筑面積的增大而增大，而按施工工作面計(jì)算的施工活荷載總值當(dāng)澆筑面積不大于A1時(shí)保持一個(gè)定值，在大于A1時(shí)保持另一個(gè)較大的定值。兩者差值基本上隨澆筑面積的增大而逐漸增大。若取A0=25 m2，A1=500 m2，則不同澆筑面積對應(yīng)的施工活荷載總值如表2所示。

表2　不同澆筑面積對應(yīng)的Pw與Pp

從表2看出，當(dāng)從25 m2增加到1 000 m2的過程中，差值從0增大到3 990 kN。以常見的高速鐵路雙線簡支箱梁為例，其長度32 m，頂寬13.4 m，混凝土澆筑面積達(dá)到428 m2，此時(shí)施工活荷載按混凝土澆筑區(qū)域計(jì)算的總值是按施工工作面計(jì)算的15倍，兩者相差1 700 kN。

結(jié)合上述分析，從絕對值上看，現(xiàn)有設(shè)計(jì)理論關(guān)于施工活荷載的取值方法是非常保守的。

2.2差值與支架設(shè)計(jì)總荷載的關(guān)系

施工活荷載總值按不同取值方法得到的數(shù)值之差從絕對值上看是很大的，為進(jìn)一步分析該差值在整個(gè)設(shè)計(jì)荷載中的相對大小，進(jìn)行以下探討。

當(dāng)施工荷載總值分別按混凝土整個(gè)澆筑區(qū)域及施工工作面計(jì)算時(shí)（只有1個(gè)施工作業(yè)組時(shí)），支架設(shè)計(jì)總荷載分別如式（7）及式（8）所示。

從而

假定

將式（10）和式（11）代入式（9），經(jīng)整理可得

當(dāng)有2個(gè)施工作業(yè)組時(shí)

取γG=1.35，γQ=1.40，則式（12）與式（13）的函數(shù)曲線見圖2。

圖2　ΔL/Lw與α的關(guān)系曲線

從圖2中可以看出，對于每一條曲線，隨著α的增大，曲線逐漸上升，當(dāng)α增大到20時(shí)，曲線稍有回落然后繼續(xù)上升。曲線的上升速率隨著α的增大而逐漸減小，當(dāng)β取8，9和10時(shí)，ΔL/Lw分別逼近于11%，10%和9%。此外，ΔL/Lw隨著β值的增大而減小。

通常情況下，梁式支架的混凝土澆筑面積不會(huì)過小，因而可以認(rèn)為α≥5，那么，當(dāng)β取8，9和10時(shí)，ΔL平均值將分別達(dá)到設(shè)計(jì)荷載Lw的10.4%，9.4%和8.5%。這說明，施工活荷載按混凝土澆筑區(qū)域計(jì)算的總值與按施工工作面計(jì)算的總值的差值在整個(gè)支架設(shè)計(jì)荷載中占有不可忽視的比例。

通過施工活荷載絕對數(shù)值以及相對比例2個(gè)方面的分析可以看出，現(xiàn)有設(shè)計(jì)理論對施工活荷載的取值是非常保守的。

3　工程測試結(jié)果

3.1工程背景

為實(shí)測現(xiàn)有的設(shè)計(jì)理論對施工活荷載取值的保守程度，進(jìn)行了實(shí)際工程測試。工程選取佛山西站K16簡支梁，其結(jié)構(gòu)為雙箱單室后張法預(yù)應(yīng)力箱梁，長度32 m，寬度為13.4 m，澆筑面積近430 m2。如圖3所示，支架采用梁式結(jié)構(gòu)：兩橋墩間支墩為4排鋼管樁，排間距9 m；每排鋼管樁均由6根間距2.45 m的φ600 mm鋼管組成，鋼管樁頂設(shè)置2根I40a工字鋼作為橫梁；橫梁上方為貝雷梁組成的縱梁；縱向貝雷梁上為I10a工字鋼橫向分配梁。施工期間由一臺(tái)泵車向箱梁輸送混凝土。

3.2現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果

現(xiàn)場測試對象為圖3（a）中第2排鋼管樁，依次編號(hào)為1#至6#，見圖3（b）。

測試采用DH3815N靜態(tài)應(yīng)變儀和3 mm膠基絲柵應(yīng)變計(jì)。為減少鋼管受彎對數(shù)據(jù)的影響，在每個(gè)鋼管樁上對稱布置2個(gè)應(yīng)變計(jì)，取其平均值作為該鋼管樁的應(yīng)變。測試始于即將開始澆筑混凝土，止于混凝土澆筑完畢，期間每隔約1 h采一次樣，同時(shí)記錄采樣時(shí)的混凝土澆筑量，測試期間無風(fēng)。各鋼管樁實(shí)測軸力見圖4，各采樣時(shí)間混凝土澆筑量見表3。

圖3　支架結(jié)構(gòu)示意

圖4　各鋼管樁實(shí)測軸力

表3　混凝土澆筑量

3.3實(shí)測數(shù)據(jù)分析

在圖4中第0～8次采樣過程中，隨著澆筑過程的持續(xù)，各鋼管樁軸力大致呈逐漸增大的趨勢，而在第9次采樣時(shí)，各鋼管樁軸力下降，這可能是由于底層澆筑的混凝土初凝，箱梁自身承擔(dān)一部分荷載所致。施工活荷載的計(jì)算依據(jù)第0～8次采樣數(shù)據(jù)。

忽略橋墩承重作用，最終將實(shí)際支架系統(tǒng)進(jìn)行桿系簡化。結(jié)合表3中數(shù)據(jù)，按現(xiàn)行設(shè)計(jì)方法推算出施工過程中各采樣時(shí)間混凝土自重與施工活荷載的規(guī)范組合值在鋼管樁中的軸力效應(yīng)。另外，為了解實(shí)際澆筑過程中施工活荷載的變化情況，又推算出了各采樣時(shí)間混凝土自重標(biāo)準(zhǔn)值在鋼管樁中的軸力效應(yīng)。計(jì)算軸力效應(yīng)時(shí)，施工人員和設(shè)備的荷載取1.0 kN/m2，而混凝土振搗荷載取2.0 kN/m2，各軸力效應(yīng)及實(shí)測結(jié)果（1#～6#鋼管樁實(shí)測軸力之和）見圖5。

圖5　鋼管樁軸力實(shí)測值與理論值

圖6　施工工作面取不同縱向長度時(shí)鋼管樁軸力

從圖5中可以看出：①對比實(shí)測值與規(guī)范組合值軸力效應(yīng)曲線，實(shí)測值明顯小于按設(shè)計(jì)方法計(jì)算的軸力，兩者的差值實(shí)際上由施工活荷載加載面積與分項(xiàng)系數(shù)2個(gè)因素共同作用導(dǎo)致的。相應(yīng)的數(shù)據(jù)計(jì)算表明，理論值平均超出實(shí)測值72.6%，最大達(dá)到84.3%，在第8次采樣時(shí)達(dá)到75.5%，對應(yīng)差值為1 778 kN。②對比實(shí)測值與混凝土自重軸力效應(yīng)曲線，兩者的差值基本上呈逐漸減小的趨勢，即表明鋼管樁所承受的施工活荷載隨著澆筑過程是逐漸減小的。③雖然施工活荷載是逐漸減小的，但鋼管樁總的軸力隨著澆筑過程逐漸增大。

梁式支架的設(shè)計(jì)驗(yàn)算是依據(jù)最不利荷載工況進(jìn)行的。鋼管樁的軸力在澆筑后期即第8次采樣時(shí)達(dá)到最大值，此時(shí)混凝土澆筑基本完畢，但依然有施工活荷載存在，該時(shí)刻對應(yīng)設(shè)計(jì)驗(yàn)算時(shí)荷載的最不利工況。此時(shí)，按設(shè)計(jì)方法計(jì)算的混凝土自重與施工活荷載的組合產(chǎn)生的軸力超出實(shí)測結(jié)果近76%，超出數(shù)值達(dá)到1 778 kN，而這僅僅是對應(yīng)一排鋼管樁，如果考慮支架其他鋼管樁，則超出數(shù)值將近5 000 kN。這說明，現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法確實(shí)會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)荷載過于保守。

4　施工活荷載合理取值方法建議

梁式支架設(shè)計(jì)時(shí)，如果混凝土澆筑面積在200 m2以下，可以按通常的施工活荷載取值方法進(jìn)行設(shè)計(jì)；而如果混凝土澆筑面積＞200 m2，建議對施工活荷取值方法進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

考慮到施工時(shí)人員設(shè)備以及振搗荷載只是在局部存在，因而設(shè)計(jì)時(shí)可以將施工活荷載只施加在鋼管樁正上方一片矩形區(qū)域，該區(qū)域?qū)嶋H代表施工工作面。施工工作面的橫橋向范圍，建議與梁寬度相同，而縱橋向范圍則根據(jù)施工工作組的人員數(shù)量、施工機(jī)具型號(hào)、數(shù)量等因素綜合確定。

當(dāng)施工工作面縱橋向范圍L取不同數(shù)值時(shí)鋼管樁的軸力見圖6?？芍摴軜兜妮S力隨著澆筑過程均呈逐漸增大的趨勢。雖然在澆筑前期鋼管樁的軸力不同程度地小于實(shí)測值，但是在澆筑后期均不同程度地超過實(shí)測值，從而按照該取值建議進(jìn)行梁式支架的設(shè)計(jì)驗(yàn)算是安全的。數(shù)據(jù)計(jì)算表明，當(dāng)L取2，3和4 m時(shí)，在實(shí)測軸力達(dá)到最大值時(shí)，計(jì)算的鋼管樁軸力分別超出實(shí)測值37.5%，41.0%和44.5%。當(dāng)施工工作面縱橋向范圍取2 m時(shí)，相比通常的設(shè)計(jì)方法，能夠做到既經(jīng)濟(jì)又安全。這說明，按照建議的施工活荷載取值方法進(jìn)行梁式支架設(shè)計(jì)是可行的。

5　結(jié)論

1）按現(xiàn)行梁式支架設(shè)計(jì)驗(yàn)算方法，采用規(guī)范推薦的施工活荷載進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算，會(huì)造成施工活荷載考慮過于保守，尤其是當(dāng)混凝土澆筑面積增大時(shí)。

2）對于梁式支架的鋼管樁而言，施工活荷載在整個(gè)混凝土澆筑過程中并不是保持不變的，其隨澆筑過程基本上呈逐漸減小的趨勢。

3）梁式支架設(shè)計(jì)時(shí)，施工活荷載取值可以按施工工作面并依據(jù)最不利位置確定，兼顧安全性與經(jīng)濟(jì)性。

［1］張傳敏，方東平，耿川東，等.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工活荷載現(xiàn)場調(diào)查與統(tǒng)計(jì)分析［J］.工程力學(xué)，2002，19（5）：62-66.

［2］趙挺生，李樹遜，顧祥林.混凝土房屋建筑施工活荷載的實(shí)測統(tǒng)計(jì)［J］.施工技術(shù)，2005，34（7）：63-65.

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［5］中華人民共和國交通部.JTG/T F50—2011公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2011.

［6］中華人民共和國鐵道部.TB 10210—2001鐵路混凝土與砌石工程施工規(guī)范［S］.北京：中國鐵道出版社，2001.

［7］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ 162—2008建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

Rational Value of Construction Live Loads for Beam-pier Scaffolding

WU Daokai1，ZHAO Yuhong1，ZHANG Wenxue1，F(xiàn)EI Kai2
（1.College of Architecture and Civil Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China；2.Beijing Urban Construction Yatai Group Co.，Ltd.，Beijing 100013，China）

Construction live load acts at local working area.As for concrete casting，the construction load is assumed to act on the entire casting face in design.W hen the area is large，the designed load is over-estimated and thus the design is too conservative.T aking the beam-pier scaffolding as example，the conservative degree of the value method of construction live loads was studied.Firstly，the value method of construction live loads was described by the current structure design theory.Secondly，the conservative degree of the value method was analyzed from theoretical and practical aspects.Finally，suggestion on rational value of construction live loads was proposed.

T emporary structure；Beam-pier scaffolding；Construction live load；Rational value；Construction working face；Concrete casting face

U445

ADOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2016.09.12

1003-1995（2016）09-0047-05

（責(zé)任審編趙其文）

2016-02-25；

2016-06-16

武道凱（1990—），男，助理工程師，碩士。