基于“深灣匯云中心”項(xiàng)目超厚底板施工荷載調(diào)研及取值研究

尹 飛， 李天嬌， 王化杰， 錢宏亮， 常德賜

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)土木工程系， 山東威海 264209)

超厚底板是超高層結(jié)構(gòu)最主要的基礎(chǔ)部分，由于厚底較大，其施工過程中往往需要搭設(shè)臨時(shí)支撐輔助施工，然而目前對(duì)這種超高層超厚底板臨時(shí)支撐的研究較很少，實(shí)際施工往往也是因地制宜、就地取材，缺乏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，所采用的超厚底板有的過于保守，有的則缺乏安全儲(chǔ)備，也引發(fā)了不少此類工程安全事故。

在超厚底板臨時(shí)支撐的設(shè)計(jì)過程中，其荷載取值也無(wú)國(guó)家級(jí)規(guī)范(GB)和行業(yè)規(guī)范(JGJ)可以參考，計(jì)算時(shí)往往采用JGJ 130-2011《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》、JGJ 300-2013《建筑施工臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》[1-2]等規(guī)范中關(guān)于施工荷載的規(guī)定進(jìn)行取值設(shè)計(jì)。但是由于超厚底板施工作業(yè)工序和用到的機(jī)械設(shè)備與上述規(guī)范適用情況差別較大，這些規(guī)范的荷載取值無(wú)法很好地滿足超厚底板臨時(shí)支撐的設(shè)計(jì)要求。需要針對(duì)超厚底板的施工荷載進(jìn)行專門的研究分析。

本文以“ 深灣匯云中心”超高層項(xiàng)目為依托，對(duì)超厚底板施工階段活荷載進(jìn)行調(diào)研統(tǒng)計(jì)分析，運(yùn)用非參數(shù)估計(jì)方法，建立了超厚底板施工荷載的概率分布模型，得到了一套超厚底板施工荷載調(diào)研統(tǒng)計(jì)方法和不同保證率下的施工荷載取值，為類似超厚底板施工荷載的研究和設(shè)計(jì)取值提供了參考。

1 超厚底板施工荷載調(diào)研統(tǒng)計(jì)及概率模型建立方法

1.1 施工荷載調(diào)研和統(tǒng)計(jì)方法

施工荷載調(diào)研工作主要分為拍攝照片和實(shí)地統(tǒng)計(jì)。拍攝照片可以獲得物體實(shí)時(shí)位置信息，采用每半天拍攝一組照片的頻率進(jìn)行；實(shí)地統(tǒng)計(jì)主要是各類材料和機(jī)械設(shè)備的單體重量以及施工人員的標(biāo)準(zhǔn)體重。

施工荷載統(tǒng)計(jì)方法采用美國(guó)學(xué)者Haitbam Ayoub和Saeed Karshenas[7-8]提出的網(wǎng)格劃分方法，為了既能描述真實(shí)荷載的分布情況又不至于工作量過大，選用大小為6 m×6 m的網(wǎng)格進(jìn)行劃分，并以物體在不同網(wǎng)格占地面積的大小為依據(jù)分配荷載，單個(gè)網(wǎng)格總荷載值均勻分布到網(wǎng)格，其均布荷載值作為一個(gè)樣本值，網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 網(wǎng)格劃分示意

1.2 施工荷載概率模型的建立方法

由樣本估計(jì)研究對(duì)象總體的概率分布規(guī)律，通常采用參數(shù)估計(jì)方法，若參數(shù)估計(jì)不能通過擬合檢驗(yàn)，再進(jìn)行非參數(shù)估計(jì)[9-10]。

為了直觀展示樣本分布情況，按下列公式計(jì)算施工荷載的平均值、方差、標(biāo)準(zhǔn)差等統(tǒng)計(jì)參數(shù)，繪出施工荷載樣本分布的頻率直方圖。

1.2.1 概率分布密度的參數(shù)估計(jì)

參數(shù)估計(jì)采用適合模板支撐階段施工活荷載統(tǒng)計(jì)的指數(shù)分布[3-6]和適合非零荷載統(tǒng)計(jì)的伽瑪分布[4,7]等經(jīng)典的概率分布函數(shù)，并進(jìn)行擬合檢驗(yàn)。

(1)指數(shù)分布：

(2)伽瑪分布：

1.2.2 概率分布密度的非參數(shù)估計(jì)

2 工程調(diào)研及荷載模型建立

2.1 工程簡(jiǎn)介

“深灣匯云中心”為超高層塔樓，總建筑面積540×104m2，建筑高度為350 m，結(jié)構(gòu)形式為框架剪力墻，基礎(chǔ)形式為樁筏基礎(chǔ)，底板面積為3 312 m2的八邊形，底板厚度范圍在2.5～11.5 m。深灣匯云中心外觀圖片如圖2所示。

圖2 深灣匯云中心

2.2 施工荷載調(diào)研

從臨時(shí)支撐搭設(shè)完畢到混凝土澆筑完畢共13 d時(shí)間里，選取18個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行活荷載調(diào)研，劃分100個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行活荷載統(tǒng)計(jì)，共得到1 800個(gè)原始數(shù)據(jù)。各類荷載單位重量和某時(shí)刻施工實(shí)況分別如表1和圖3所示。

表1 部分活荷載取值

圖3 某時(shí)刻施工實(shí)況

考慮到人工、機(jī)械設(shè)備、材料往往集中在較小的區(qū)域內(nèi)，以及極少數(shù)人員走動(dòng)，很多網(wǎng)格荷載值介于0～5 kN之間，使得最終的活荷載標(biāo)準(zhǔn)值偏小。本文采用三種數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行研究，三種數(shù)據(jù)矩陣的數(shù)據(jù)量和意義如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)矩陣

2.3 建立施工荷載概率模型

計(jì)算三種數(shù)據(jù)矩陣的平均值、方差、標(biāo)準(zhǔn)差等統(tǒng)計(jì)參數(shù)，分別繪出施工荷載樣本分布的頻率直方圖，如圖4～圖6所示。

圖4 矩陣A頻率直方圖

圖5 矩陣B頻率直方圖

圖6 矩陣C頻率直方圖

對(duì)三種數(shù)據(jù)矩陣的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)并擬合檢驗(yàn)，均不符合指數(shù)分布和伽瑪分布。因此只能采用非參數(shù)估計(jì)方法，繪制的概率密度曲線分別如圖7～圖9所示。

圖7 矩陣A概率密度曲線

圖8 矩陣B概率密度曲線

圖9 矩陣C概率密度曲線

三種數(shù)據(jù)矩陣的概率密度分布形態(tài)基本一致；大量荷載極小網(wǎng)格的存在，使得曲線峰值在0 kN/m2附近且擬合結(jié)果出現(xiàn)負(fù)值，最終施工活荷載取值偏小，因此采用刪除荷載極小網(wǎng)格的矩陣C更加安全合理。

2.4 施工荷載取值

各矩陣的概率分布曲線及施工荷載標(biāo)準(zhǔn)值取值，分別如圖10～圖12和表3所示。

表3給出了不同保證率的施工荷載取值，其中最大值為1.37 kN/m2，遠(yuǎn)小于JGJ 300-2013《建筑施工臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》[1]中規(guī)定鋼結(jié)構(gòu)施工支撐結(jié)構(gòu)的施工荷載標(biāo)準(zhǔn)值3.0 kN/m2。同時(shí)，超厚底板臨時(shí)支撐在施工結(jié)束后，會(huì)隨鋼筋網(wǎng)片一起澆筑在混凝土中，不能反復(fù)使用。而且，超厚底板臨時(shí)支撐無(wú)需承擔(dān)混凝土樓板，混凝土澆筑時(shí)會(huì)將支撐體系下部包裹，對(duì)支撐體系是有利的。綜合考慮，直接依據(jù)這些相近領(lǐng)域的規(guī)范進(jìn)行超厚底板臨時(shí)支撐的設(shè)計(jì)偏于保守，造成材料浪費(fèi)。有必要增加調(diào)研樣本，給出用于超厚底板臨時(shí)支撐設(shè)計(jì)的施工活荷載的合理取值。

圖10 矩陣A概率分布曲線

圖11 矩陣B概率分布曲線

圖12 矩陣C概率分布曲線

表3 施工荷載取值 kN/m2

3 結(jié)論

通過對(duì)“深灣匯云中心”項(xiàng)目超厚底板臨時(shí)支撐施工荷載的深入調(diào)研分析，得到了如下結(jié)論：

(1)給出了一套超厚底板臨時(shí)支撐施工荷載的調(diào)研統(tǒng)計(jì)及概率模型建立方法，為類似超高層結(jié)構(gòu)超厚底板臨時(shí)支撐荷載的確定提供了方法支持。

(2)調(diào)研結(jié)果表明：“深灣匯云中心”項(xiàng)目的施工荷載標(biāo)準(zhǔn)值遠(yuǎn)小于JGJ 300-2013《建筑施工臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》[1]中鋼結(jié)構(gòu)施工支撐結(jié)構(gòu)的施工荷載標(biāo)準(zhǔn)值為3.0 kN/m2的規(guī)定，直接依據(jù)這些相近領(lǐng)域的規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)偏于保守，造成材料浪費(fèi)。有必要增加調(diào)研樣本，給出用于超厚底板臨時(shí)支撐設(shè)計(jì)的施工活荷載的合理取值。