徐宏廣,張豐毅
(杭州建工集團(tuán)有限責(zé)任公司,浙江杭州 310013)
住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部辦公廳2018 年5 月17 日發(fā)布了“住房城鄉(xiāng)建設(shè)部辦公廳關(guān)于實(shí)施《危險(xiǎn)性較大的分部分項(xiàng)工程安全管理規(guī)定》有關(guān)問(wèn)題的通知”(以下簡(jiǎn)稱“31 號(hào)文”)。通知規(guī)定:“混凝土模板支撐工程:……或施工總荷載(荷載效應(yīng)基本組合的設(shè)計(jì)值,以下簡(jiǎn)稱設(shè)計(jì)值)10 kN/m2及以上,或集中線荷載(設(shè)計(jì)值)15 kN/m 及以上,……的混凝土模板支撐工程”,屬于“危險(xiǎn)性較大的分部分項(xiàng)工程”(以下簡(jiǎn)稱“危大工程”)、“混凝土模板支撐工程:……或施工總荷載(設(shè)計(jì)值)15 kN/m2及以上,或集中線荷載(設(shè)計(jì)值)20 kN/m 及以上”,屬于“超過(guò)一定規(guī)模的危險(xiǎn)性較大的分部分項(xiàng)工程”(以下簡(jiǎn)稱“超危大工程”)。
由于混凝土模板支撐工程涉及多本規(guī)范,而各規(guī)范對(duì)“荷載效應(yīng)基本組合設(shè)計(jì)值”的規(guī)定有差異。為了正確執(zhí)行“住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部令第37 號(hào)”(以下簡(jiǎn)稱“37 號(hào)令”)、“31 號(hào)文”,方便工程中對(duì)混凝土模板支撐工程是否屬于“(超)危大工程”進(jìn)行判別,本文對(duì)比分析了各規(guī)范中關(guān)于“荷載效應(yīng)基本組合設(shè)計(jì)值”的相關(guān)條文,并給出滿足“混凝土模板支撐工程:……或施工總荷載(設(shè)計(jì)值)10 kN/m2(15 kN/m2)及以上,或集中線荷載(設(shè)計(jì)值)15 kN/m(20 kN/m)及以上”時(shí),鋼筋混凝土梁、板的截面尺寸表方便在工程中參考。
《施工腳手架通用規(guī)范》GB 55023—2022[4]沒(méi)有給出荷載效應(yīng)基本組合設(shè)計(jì)值的計(jì)算式,據(jù)其“前言”的精神,“通規(guī)有規(guī)定執(zhí)行通規(guī),通規(guī)無(wú)規(guī)定執(zhí)行相應(yīng)配套的推薦性標(biāo)準(zhǔn)”,在根據(jù)荷載效應(yīng)基本組合設(shè)計(jì)值的大小判別混凝土模板支撐工程是否屬于“(超)危大工程”時(shí),應(yīng)根據(jù)具體的支撐形式并結(jié)合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算、判別。
《建筑施工腳手架安全技術(shù)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》GB 51210—2016[5]關(guān)于支撐腳手架荷載效應(yīng)基本組合設(shè)計(jì)值的計(jì)算除沒(méi)有引入“可變荷載考慮設(shè)計(jì)使用年限的調(diào)整系數(shù)”外,完全沿用了文獻(xiàn)[1]的規(guī)定。
隨著文獻(xiàn)[3]的發(fā)布并實(shí)施,文獻(xiàn)[1]、[2]中關(guān)于荷載效應(yīng)基本組合設(shè)計(jì)值計(jì)算的規(guī)定凡與文獻(xiàn)[3]不一致之處均自動(dòng)廢止,并應(yīng)按文獻(xiàn)[3]執(zhí)行。即應(yīng)按文獻(xiàn)[3]2.4.6 條第1 款計(jì)算式(1)計(jì)算。
《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》GB 50068—2001[6]作為文獻(xiàn)[2]的前一版已被廢止,由于不同標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布實(shí)施年度不同,文獻(xiàn)[6]的相關(guān)條文被部分腳手架標(biāo)準(zhǔn)所沿用。文獻(xiàn)[6]7.0.2 條第1 款第1 項(xiàng)關(guān)于荷載效應(yīng)基本組合設(shè)計(jì)值的規(guī)定與文獻(xiàn)[1]3.2.3條的規(guī)定基本相同,不同之處在于文獻(xiàn)[1]3.2.3 條引入了“可變荷載考慮設(shè)計(jì)使用年限的調(diào)整系數(shù)”。文獻(xiàn)[1]、[6]關(guān)于荷載分項(xiàng)系數(shù)取值的規(guī)定相同。
文獻(xiàn)[6]7.0.2 條第1 款第2 項(xiàng)規(guī)定,當(dāng)荷載基本組合的效應(yīng)值由永久荷載控制時(shí),對(duì)于一般排架、框架結(jié)構(gòu),可將第1 款第1 項(xiàng)中由永久荷載控制的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式簡(jiǎn)化為下式(2)。
金新陽(yáng)[7]指出,文獻(xiàn)[6]7.0.2 條第1 款第2 項(xiàng)簡(jiǎn)化式(2)“簡(jiǎn)化規(guī)則缺乏理論依據(jù)”,因此在文獻(xiàn)[1]的修訂中取消了簡(jiǎn)化式(2)。
據(jù)文獻(xiàn)[3]、[4]的“前言”,文獻(xiàn)[8]作為一本行業(yè)推薦性工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)其中的規(guī)定與強(qiáng)制性工程建設(shè)規(guī)范規(guī)定不一致時(shí),應(yīng)以強(qiáng)制性工程建設(shè)規(guī)范規(guī)定為準(zhǔn)。因此文獻(xiàn)[8]中關(guān)于支撐腳手架的荷載效應(yīng)基本組合設(shè)計(jì)值的表達(dá)式應(yīng)修訂為與文獻(xiàn)[3]相一致。但其“前言”中也規(guī)定當(dāng)行業(yè)推薦性工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的要求高于強(qiáng)制性工程建設(shè)規(guī)范規(guī)定時(shí),可按行業(yè)推薦性工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。據(jù)此,文獻(xiàn)[8]中關(guān)于支撐腳手架荷載效應(yīng)基本組合設(shè)計(jì)值的表達(dá)式應(yīng)該取文獻(xiàn)[3]中式(1)還是應(yīng)該取文獻(xiàn)[6]中式(2),則需比較兩式誰(shuí)更偏于安全。
查文獻(xiàn)[8]4.1.4 條,作用在支撐腳手架上的可變荷載包括施工荷載Q1、附加水平荷載Q2和風(fēng)荷載Q3;查4.4.4 條,對(duì)支撐腳手架荷載效應(yīng)組合宜按表1 采用。
表1 支撐腳手架荷載效應(yīng)組合
按前述理解,作用在支撐腳手架上的荷載可分成兩個(gè),一為風(fēng)荷載,另一為除風(fēng)荷載外的其他可變荷載。
當(dāng)支撐腳手架處于無(wú)風(fēng)力作用的環(huán)境時(shí),按無(wú)風(fēng)組合進(jìn)行計(jì)算,表1 中各項(xiàng)組合實(shí)質(zhì)上只有一個(gè)可變荷載參與組合。按文獻(xiàn)[6]中式(2)取,便有:
當(dāng)支撐腳手架處于有風(fēng)作用的環(huán)境時(shí),按有風(fēng)組合進(jìn)行計(jì)算,表1 中各項(xiàng)組合包括風(fēng)荷載和一個(gè)除風(fēng)荷載外的其他可變荷載參與組合。按文獻(xiàn)[6]中式(2)取φ=0.9,便有:
查文獻(xiàn)[1]8.1.4 條取風(fēng)荷載的組合系數(shù)φ=0.6,查5.5.3 條取施工荷載的組合系數(shù)φ=0.7。查文獻(xiàn)[8]4.2.3 條第2 款取Q2=0.02Q1,其值較小,為簡(jiǎn)化計(jì)算,現(xiàn)不考慮Q2參與組合。
比較式(3)、(5)可知兩者是等效的。
當(dāng)采用有風(fēng)組合時(shí),式(1)簡(jiǎn)化為:
建筑工程施工時(shí),由于施工樓層外圍基本上會(huì)設(shè)置全封閉式作業(yè)腳手架,此作業(yè)腳手架常會(huì)兼做防護(hù)架,為了滿足施工作業(yè)和臨邊防護(hù)的要求,作業(yè)腳手架的高度往往會(huì)高于支撐腳手架,大多數(shù)情況下,作用在支撐腳手架上的風(fēng)荷載Q3相對(duì)于施工荷載Q1較小。故在承插型盤扣式支撐架的荷載效應(yīng)基本組合計(jì)算時(shí)建議直接按文獻(xiàn)[3]的規(guī)定執(zhí)行。
《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》JGJ 130—2011[9]、《建筑施工模板安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》JGJ 162—2008[10]對(duì)扣件式鋼管支撐架荷載效應(yīng)基本組合計(jì)算的相關(guān)條文參考了文獻(xiàn)[6],隨著規(guī)范版本的更新,已不符合文獻(xiàn)[3]、[4]在其“前言”中的規(guī)定,因此,建議扣件式鋼管支撐架荷載效應(yīng)基本組合的計(jì)算按文獻(xiàn)[3]執(zhí)行。
《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》T/CECS 699—2020[11]對(duì)扣件式鋼管支撐架荷載效應(yīng)基本組合計(jì)算的相關(guān)條文參考了文獻(xiàn)[2],已經(jīng)與文獻(xiàn)[3]的相關(guān)條文吻合,因此,計(jì)算扣件式鋼管支撐架荷載效應(yīng)基本組合時(shí)可直接執(zhí)行文獻(xiàn)[11]的相關(guān)規(guī)定。
由上述分析可知,建筑施工模板、扣件式鋼管支撐架、承插型盤扣式支撐架荷載效應(yīng)基本組合的計(jì)算均可直接執(zhí)行文獻(xiàn)[3]的相關(guān)規(guī)定。
“混凝土模板支撐工程”,從整體角度主要包括:混凝土施工活荷載、鋼筋混凝土、模板、主次楞、支撐架體、架體底部墊塊等。從施工過(guò)程角度,以模板上表面為分界面,混凝土施工活荷載及鋼筋混凝土是形成施工活動(dòng)最終產(chǎn)物混凝土結(jié)構(gòu)必不可少的物質(zhì)條件,模板、主次楞、支撐架、架體底部墊塊等組成的支撐系統(tǒng)屬于為實(shí)現(xiàn)這一最終產(chǎn)物而采取的措施,兩者是目的與手段的關(guān)系。完成混凝土結(jié)構(gòu)的施工是目的,混凝土構(gòu)件下的支撐系統(tǒng)是手段。據(jù)此,可將“31 號(hào)文”中“混凝土模板支撐工程”理解為混凝土構(gòu)件下的支撐系統(tǒng),“施工總荷載(設(shè)計(jì)值)10 kN/m2(15 kN/m2)及以上,或集中線荷載(設(shè)計(jì)值)15 kN/m(20 kN/m)及以上”理解為混凝土施工活荷載及鋼筋混凝土自重。
文獻(xiàn)[1]3.2.2 條、3.2.3 條、文獻(xiàn)[2]8.2.2 條、文獻(xiàn)[3]2.4.6 條、文獻(xiàn)[5]6.2 節(jié)、文獻(xiàn)[8]4.4.3 條等諸條文均體現(xiàn)出荷載組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值Sd是沒(méi)有乘結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)的;文獻(xiàn)[3]3.1.10 條第1 款規(guī)定“對(duì)于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件……的承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì),作用組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值與結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)的乘積不應(yīng)超過(guò)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力設(shè)計(jì)值,其中結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)應(yīng)按本規(guī)范表3.1.12的規(guī)定取值。”同時(shí)在3.1.12 條規(guī)定了安全等級(jí)與重要性系數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此,應(yīng)將“31 號(hào)文”中的“設(shè)計(jì)值”理解為Sd,而不是。
文獻(xiàn)[2]8.2.4 條第1 款給出了作用基本組合效應(yīng)設(shè)計(jì)值的計(jì)算式:
式(7)中的主要參數(shù)為“某某作用的標(biāo)準(zhǔn)值”;8.2.4 條第2款規(guī)定“當(dāng)作用與作用效應(yīng)按線性關(guān)系考慮時(shí)……”并給出了相應(yīng)的計(jì)算式:
式(8)中的主要參數(shù)是“某某作用標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng)”。理解上述兩條款的差異,需對(duì)下列相關(guān)概念有適當(dāng)?shù)牧私狻?/p>
1)作用與作用效應(yīng)
作用是指施加在結(jié)構(gòu)上的集中力或分布力和引起結(jié)構(gòu)外加變形或約束變形的原因,前者為直接作用,也稱為荷載,后者為間接作用[2]。自重、土壓力、水壓力、雪荷載、風(fēng)荷載、溫度變化、基礎(chǔ)不均勻沉降、地震作用、撞擊作用等均可理解為作用。
將各種作用進(jìn)行力學(xué)模型簡(jiǎn)化,如簡(jiǎn)化成集中力、線分布力、面分布力、集中力偶等,這些簡(jiǎn)化后的力學(xué)模型我們習(xí)慣上統(tǒng)一稱為“力”。當(dāng)“力”作用在結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件上后,構(gòu)件在作用下產(chǎn)生的相應(yīng)變化稱為“效應(yīng)”,這些效應(yīng)從外觀角度分析便是位移、變形、裂縫、震動(dòng)等,從受力角度分析便是彎矩、剪力、軸力等,進(jìn)一步分析可理解為應(yīng)力、應(yīng)變等。
工程中,結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境一旦被確定,作用在結(jié)構(gòu)上作用的大小便可根據(jù)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)或各種試驗(yàn)(或模擬)予以明確。作用的大小被量化后,結(jié)構(gòu)的安全與否就由結(jié)構(gòu)的材質(zhì)、截面尺寸、幾何形狀、剛度、延性、外部約束條件等物理力學(xué)性能決定。結(jié)構(gòu)構(gòu)件的各項(xiàng)物理力學(xué)性能綜合作用體現(xiàn)出來(lái)的外在表現(xiàn)便是“抗力”。當(dāng)“作用效應(yīng)≤抗力”時(shí),便認(rèn)為結(jié)構(gòu)構(gòu)件是安全的??紤]到作用、材料的物理力學(xué)性能等取值分析時(shí)樣本空間的有限性、作用同時(shí)出現(xiàn)的可能性、結(jié)構(gòu)構(gòu)件的使用年限等諸多因素,相關(guān)規(guī)范便在計(jì)算式中乘了分項(xiàng)系數(shù)與組合系數(shù)。
在保障安全的同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性,相關(guān)規(guī)范綜合考慮結(jié)構(gòu)安全性要求、使用年限、社會(huì)影響等因素后給出了安全等級(jí),進(jìn)而根據(jù)安全等級(jí)給出了作用效應(yīng)的調(diào)整系數(shù)即“重要性系數(shù)”。先利用對(duì)作用效應(yīng)的大小進(jìn)行調(diào)整,為了滿足“作用效應(yīng)≤抗力”這一關(guān)系式,對(duì)作用效應(yīng)大小進(jìn)行調(diào)整,其實(shí)質(zhì)是對(duì)抗力大小進(jìn)行調(diào)整,進(jìn)而體現(xiàn)為對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材質(zhì)、截面尺寸、幾何形狀、外部約束條件等的調(diào)整。這便是式所體現(xiàn)出的設(shè)計(jì)思路。
3)對(duì)“線性關(guān)系”的理解
文獻(xiàn)[2]8.2.4 條第2 款使用的前提條件是“當(dāng)作用與作用效應(yīng)按線性關(guān)系考慮時(shí)”,這里“線性關(guān)系”在設(shè)計(jì)中常與“二階效應(yīng)”相對(duì)應(yīng)。
例如建筑結(jié)構(gòu)在整體分析時(shí)常簡(jiǎn)化為懸臂結(jié)構(gòu),如鋼結(jié)構(gòu)建筑由于其抗彎剛度較小,在風(fēng)荷載作用下會(huì)沿水平方向產(chǎn)生彎曲變形。當(dāng)建筑的豎向構(gòu)件發(fā)生彎曲后,豎向構(gòu)件自重對(duì)其產(chǎn)生的效應(yīng)就不能再僅按軸心受壓計(jì)算了,還應(yīng)考慮自重在水平位移下產(chǎn)生的附加彎矩,這便是考慮作用的二階效應(yīng)。當(dāng)結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件抗彎剛度較大、在水平力作用時(shí)自重產(chǎn)生的附加彎矩值較小,忽略附加彎矩的影響仍在工程允許的誤差范圍內(nèi),可以分別計(jì)算豎向作用與水平作用產(chǎn)生的效應(yīng),再將兩者進(jìn)行疊加,這便是可以按線性關(guān)系考慮。
可見(jiàn),按線性關(guān)系考慮是考慮二階效應(yīng)的一種特殊情況。文獻(xiàn)[2]8.2.4 條第1 款式(7)是一個(gè)抽象函數(shù),效應(yīng)Sd是因變量,各種永久作用、預(yù)應(yīng)力作用、各種可變作用是自變量。效應(yīng)Sd是各種作用相互綜合作用的結(jié)果,因此當(dāng)不滿足按線性關(guān)系考慮的條件時(shí)應(yīng)按第1 款進(jìn)行計(jì)算。
在工程允許的誤差范圍內(nèi),計(jì)算中可將作用在構(gòu)件上產(chǎn)生的效應(yīng)直接按線性關(guān)系處理,此時(shí)便可按文獻(xiàn)[2]8.2.4 條第2 款先計(jì)算出每個(gè)作用對(duì)構(gòu)件產(chǎn)生的效應(yīng),然后再將這些效應(yīng)疊加起來(lái),便得到了作用在構(gòu)件上的總效應(yīng),用一句話描述便是“先各自計(jì)算效應(yīng)再疊加”,即對(duì)應(yīng)了第2 款中的“作用效應(yīng)按線性考慮”的情況。
如在計(jì)算疊合樓板受力時(shí),可將預(yù)制板自重、現(xiàn)澆層自重、樓面活荷載等面分布荷載先進(jìn)行“力”的基本組合設(shè)計(jì)值計(jì)算,再利用力學(xué)模型算出樓板在“力”作用下產(chǎn)生的總效應(yīng)值,如彎矩設(shè)計(jì)值、剪力設(shè)計(jì)值等,用一句話描述便是“先疊加荷載再計(jì)算總效應(yīng)”,即對(duì)應(yīng)了第2 款中的“作用按線性考慮”的情況。
可見(jiàn),“先疊加荷載再計(jì)算總效應(yīng)”是“先各自計(jì)算效應(yīng)再疊加”的特殊情況。至于工程中能不能“先疊加荷載再計(jì)算總效應(yīng)”應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行判別,當(dāng)判別有困難時(shí)建議采用“先各自計(jì)算效應(yīng)再疊加”的思路,避免出現(xiàn)錯(cuò)誤。
關(guān)于二階效應(yīng)在工程中的應(yīng)用可參考《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB 50017—2017[12]5.1 節(jié)、《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ 3—2010[13]5.4 節(jié)等資料。
按“37 號(hào)令”第一章第三條,“危大工程”是指“在施工過(guò)程中,容易導(dǎo)致人員群死群傷或者造成重大經(jīng)濟(jì)損失的分部分項(xiàng)工程” 。據(jù)此,在對(duì)“危大工程”進(jìn)行計(jì)算分析時(shí),可將“危大工程”的安全等級(jí)定為Ⅱ級(jí),“超危大工程”的安全等級(jí)定為Ⅰ級(jí)。
文獻(xiàn)[5]3.2.1 條、文獻(xiàn)[8]3.0.4 條、文獻(xiàn)[11]5.1.4 條也對(duì)混凝土模板支撐工程的安全等級(jí)作了相應(yīng)的規(guī)定:搭設(shè)高度≤8m、荷載設(shè)計(jì)值≤“15 kN/m2(20 kN/m)”兩者同時(shí)滿足時(shí)安全等級(jí)為Ⅱ級(jí),否則為Ⅰ級(jí)。同時(shí),文獻(xiàn)[5]3.2.3 條、文獻(xiàn)[8]3.5.5 條、文獻(xiàn)[11]5.1.5 條規(guī)定:安全等級(jí)Ⅰ級(jí)時(shí)取,安全等級(jí)Ⅱ級(jí)時(shí)取。
為方便工程中對(duì)“(超)危大工程”進(jìn)行初判,現(xiàn)將計(jì)算式及計(jì)算參數(shù)列表如下表2,混凝土梁、板截面尺寸臨界值列表如下表3—表5。
表2 “(超)危大”判別計(jì)算式及參數(shù)
表3 時(shí)梁截面尺寸臨界值
表3 時(shí)梁截面尺寸臨界值
表4 時(shí)梁截面尺寸臨界值
表4 時(shí)梁截面尺寸臨界值
表4 時(shí)梁截面尺寸臨界值
表5 板厚臨界值
1)《工程結(jié)構(gòu)通用規(guī)范》GB 55001—2021 與《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》GB 50068—2018 關(guān)于“荷載效應(yīng)基本組合設(shè)計(jì)值”的規(guī)定相同,也是目前最新發(fā)布實(shí)施的規(guī)范,其他相關(guān)規(guī)范應(yīng)以此為據(jù)作相應(yīng)調(diào)整。
2)建筑施工模板、扣件式鋼管支撐架、承插型盤扣式支撐架的荷載效應(yīng)基本組合設(shè)計(jì)值的計(jì)算均可直接執(zhí)行《工程結(jié)構(gòu)通用規(guī)范》GB 55001—2021 的相關(guān)規(guī)定。
3)在后續(xù)對(duì)腳手架相關(guān)規(guī)范(標(biāo)準(zhǔn))進(jìn)行修訂時(shí),建議將荷載效應(yīng)組合計(jì)算的相關(guān)規(guī)定修訂至與《工程結(jié)構(gòu)通用規(guī)范》GB 55001—2021 相一致,以解決目前各本標(biāo)準(zhǔn)對(duì)荷載效應(yīng)組合規(guī)定的不一致,方便標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用與推廣。
4)荷載效應(yīng)基本組合設(shè)計(jì)值、作用、效應(yīng)、安全等級(jí)、重要性系數(shù)及相關(guān)概念的理解對(duì)正確執(zhí)行“住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部令第37 號(hào)”、“建辦質(zhì)[2018]31 號(hào)文”至關(guān)重要。