浅谈施工期钢筋混凝土结构的安全分析

1施工期钢筋混凝土结构安全分析的探讨曹军1，刘西拉2（1.上海建科建设监理咨询有限公司，200032；2.上海交通大学船舶海洋与建工学院，200032）[摘要]结构在施工过程中的平均风险率远高于使用期，对施工期钢筋混凝土结构进行安全分析与控制，就必须对施工期间荷载在部分完成的结构和支撑系统之间的传递进行分析与研究。现行的钢筋混凝土结构设计规范和施工规范不能对施工期钢筋混凝土结构的受力进行合理分析，因而无法对施工期结构的安全进行有效的控制。国内目前推广应用的部分施工期结构安全计算软件也不能很好地对施工期钢筋砼结构进行受力分析，清华大学土木工程系与北京第七建筑工程公司合作开发出一套人机交互的“施工期钢筋混凝土结构安全分析与控制软件-SAC”，能对施工期整个阶段每次施工步骤对各楼层受力的影响进行分析，具有较好的科学性与严谨性[关键词]施工期砼结构安全分析；砼结构施工规范；PKPM施工安全设施软件；SAC软件1、前言建筑结构的生命周期大致可分为三个阶段：施工阶段、使用阶段、老化阶段[1][2]，大量统计资料表明，结构在施工过程中的平均风险率远大于使用期。在我国，约有三分之二的工程破坏事故出现在施工过程[3]。施工期现浇钢筋混凝土结构，新浇筑的楼层混凝土结构的重力荷载和施工活荷载通常由模板系统支撑，模板支撑又将荷载传给先前浇好的数层楼板上。由于施工周期短，这些承担施工荷载的楼板混凝土仍处于养护期，构件的强度还在发展，刚度也在变化，而这些楼层承担的施工荷载有时会达到甚至超过成熟混凝土结构正常使用状态所承担的设计荷载，由此造成现浇混凝土结构质量事故增加，严重的会使模板支撑临时结构以及现浇混凝土结构垮塌。因此，必须有足够的支模层数，必要时甚至需要提高楼板的设计荷载，以得到所需要的承载力来支承外荷载[4][5]。但从经济角度来看，既不能过多的增加支模层数，也不宜过大地提高楼板的极限承载力。只有准确把握现浇楼板的荷载传递规律，才能既达到经济的目2的又满足安全的要求。施工期现浇钢筋混凝土结构的高事故率从某种方面反映了现行设计理论和方法对施工阶段现浇混凝土结构安全性分析还不够完善，同时相关施工规范对施工期钢筋混凝土结构的安全控制也不够全面，因此，对高层建筑混凝土结构施工期的受力特性分析对于控制施工期建筑倒塌事故和质量事故具有重大的理论与现实意义。关于施工期结构安全的分析，1963年，美国学者P.Grundy和A.Kabaila[6]等人就对高层建筑施工中的荷载传递与支模层数进行了探讨与研究，提出了简化手算结构分析方法，给出了施工中荷载传递的系数。此法简单明了，便于现场施工使用，美国混凝土协会（ACI347-88）推荐在混凝土模板工程中使用这一方法。此后，一些学者通过大量的实验对ACI提供的方法进行了检测。总体认为简化方法低估了楼板的最大荷载，但还是可以接受的[7]。1983年我国学者刘西拉建立了施工期结构分析的三维有限元法——精化方法（refinedmethod）[8]。此方法更精确的描述了施工过程，对板的边界条件、地基刚度、柱的轴向变形、板的形状、以及混凝土和支撑徐变等非线性因素进行了全面的研究，把对高层混凝土建筑施工过程中楼板的荷载传递问题的分析推上了一个新的高度，此外，陈惠发[8][9]、李惠明[10][11]、段明珠[12][13]、李莹[14]等也在此理论基础上，对施工时变结构体系进行了深化。最终，清华大学的学者方东平、祝宏毅和刘西拉[15][16]等人对清华大学法学楼框架结构进行了现场测试，较全面地对结构施工过程中的荷载、材料、内力、变形等特征进行了全周期的测量。通过对新浇筑的楼板内钢筋应力和其下支撑荷载观测，发现新浇筑的混凝土楼板在养护期间随着其强度、刚度的增长，由最初不承担任何荷载，逐渐开始分担自重荷载，通过对现场实测数据的分析和讨论，得到了结构在施工过程中的基本特征以及荷载传递的规律，发现随着新浇楼板强度和刚度的增长，环境温度的变化、混凝土早期徐变等作用将导致其逐渐承担其结构自重，从而使整个结构的荷载不断地进行新的分配。在此基础上，清华大学土木工程系与北京七建合作，开发了时变结构分析软件-施工期钢筋混凝土结构安全分析与控制软件SAC，该软件已通过鉴定，获北京市科技进步奖[17]。2、目前国内对施工期混凝土结构安全控制的主要方法3目前，国内对高层混凝土结构施工期安全的控制主要是通过相关规范条文进行控制，同时，在一些城市，已有部分施工单位及监理单位利用相关工程软件进行计算，辅助编制施工方案，并在具体施工过程中，利用工程软件计算作为施工期混凝土结构安全控制的参考依据。本文就目前国内对高、多层砼结构施工期安全控制常用办法进行讨论，以某一具体工程实例，探讨一下目前国内施工期砼结构安全控制的现状及存在的问题。2.1工程实例：上海某购物广场，建筑面积86000平方米，地下一层，上部结构九层。整个工程地下、地上结构全为钢筋混凝土框架结构。混凝土等级为C30，楼板均为10cm厚。层高除底层为5.9米外，其它楼层均为5.4米。本文选取其典型框架部位进行分析。该部位主梁400*1200mm，次梁400*1000mm，楼板跨度3m，厚10mm，配筋为上下两皮φ12@150mm，板截面配筋率为1.58%，柱尺寸为800*800mm。根据本工程施工方案，模板脚手架体系备料为：梁板模板脚手架体系准备二套半，脚手采用φ48×3.5钢管支撑，脚手管间距1.0*1.0m，模板采用高密度竹夹板，重量为0.25KN/m2。由于本工程单层建筑面积很大，有1万多建筑平方米，每层施工周期较长，为14天施工一层楼面。顶层混凝土浇注1天后，底层支撑拆除，因此每层楼面拆模时，该层混凝土养护时间达到14天。图1：九百城市广场框架结构剖面图2.2施工规范对本工程施工期结构安全的控制目前，国内施工主要是通过执行相应规范规定来对施工期钢筋混凝土结构安全予以控制。根据中华人民共和国《混凝土结构工程施工质量验收规范》[18]GB50204-2002（2002年4月1日实施）第4.3.1条规定：底模及其支架拆除时的混凝土强度应符合设计要求。当设计无具体要求时，混凝土强度应符合表4-1的柱子（800×800）次梁（400×1000）板（100）主梁（400×1200）4规定。检查数量：全数检查。检验方法：检验同条养护试件强度试验报告表1：底模拆除时的混凝土强度要求构件类型构件跨度（m）达到设计的混凝土立方体抗压强度标准值的百分率（％）板≤2≥502,≤8≥758≥100梁、拱、壳≤8≥758≥100悬臂构件-≥100由于本工程板跨3m，根据规范要求，现浇砼强度达到其自身设计强度的75%时即可拆除板底模。就该工程而言，根据砼强度温度发展曲线，14天砼强度超过了其本身强度的75%，且现场同条件砼养护试块抗压强度达砼设计强度的84%，因此，14天板底拆模符合规范规定。2.2PKPM施工安全设施软件对本工程施工期结构安全的分析与控制PKPM施工安全设施计算软件是由中国建筑科学研究院--建筑工程软件研究所开发，由上海市建筑工程质量安全监督总站与之合作研制的一项最新施工计算软件，已通过国家鉴定，是目前国内质量安全监督总站向全国施工企业、监理单位大力推广使用的软件。该软件内含有模板支撑系统设计与计算模块，可以对施工期钢筋混凝土结构拆模的安全进行分析。利用PKPM施工安全设施计算软件，对该工程支撑结构体系进行计算：（1）计算楼板强度说明及建模验算楼板强度时按照最不利考虑,楼板的跨度取3.00m，取1m宽度的板带作为计算单元，楼板承受的荷载按照线均布考虑。1米宽度范围内配筋2级钢筋，配筋截面积As=1580.0mm2，fy=300.0N/mm2。钢筋混凝土自重取值25KN/M3，模板自重0.25KN/M2，倾倒混凝土荷载标准值2.0KN/M2，施工均布荷载1.0KN/M2。板的截面尺寸为b×h=1000mm×100mm，截面有效高度h0=80mm。5输入参数界面如图2所示：按照楼板每14天浇筑一层，所以需要验算14天、28天、42天...的承载能力是否满足荷载要求，其计算简图如图3所示。（2）计算过程计算楼板混凝土14天的强度是否满足承载力要求：楼板跨度范围内摆放4排脚手架，将其荷载转换为计算宽度内均布荷载。第2层楼板所需承受的荷载为：209.12)00.100.2(4.1)00.3480.0(2.11)10.000.2525.0(2.12mKNq取1m宽度的板带作为计算单元，每米宽板带所承受均布荷载q=12.09kN/m，板带所需承担的最大弯矩为：mKNqlM.07.91200.309.121222max验算楼板混凝土强度的平均气温为15.00℃，查温度、龄期对混凝土强度影响曲线，得到14天后混凝土强度达到79.20%，C30.0混凝土强度近似等效为C23.8。混凝土弯曲抗压强度设计值为233.11mmNfcm则可以得到矩形截面相对受压区高度：52.0)33.1100.8000.1000(00.30000.15800cmysfbhfA查表得到钢筋混凝土受弯构件正截面抗弯能力计算系数为389.0s图2：PKPM施工安全设施计算软件输入界面图3：PKPM施工安全设施计算软件计算简图6此层楼板所能承受的最大弯矩为：mKNfbhMcms.21.28103.11000.80000.1000389.016220结论：由于07.921.28maxMMi，第14天以后的各层楼板强度足以承受以上楼层传递下来的荷载，所以第2层以下的模板支撑可以拆除。2.3施工期钢筋砼结构安全分析软件SAC对施工期结构安全的控制根据清华大学土木工程系与北京七建合作开发的施工期钢筋混凝土结构安全分析软件-SAC，按照该工程的图纸及施工方案，对该工程模板支撑方案进行计算，计算结果见表2。表2：某工程施工期结构安全计算数据表施工工序施工天数楼层最大剪力最大正负弯矩（跨中，支座）每层荷载传递系数可靠度（β）（1层浇砼）01*0001（2层浇砼）1418.173.3；-4.041.38102*0002（1层拆支撑）151#3.040.81;-1.311.381023.140.40;-1.271.523（3层浇砼）2812.460.27;-0.941.381029.133.68;-4.481.38103*0004（2层拆支撑）2912#3.090.74;-1.391.381033.090.39;-1.231.525（4层浇砼）4223.650.82;-1.301.381039.113.73;-4.481.38104*0006（3层拆支4327撑）3#3.090.72;-1.421.381043.093.09;-1.231.527（5层浇砼）5633.640.87;-1.251.381049.123.73;-4.481.38105*0008（4层拆支撑）5734#3.090.72;-1.421.381053.090.39;-1.231.529（6层浇砼）7043.640.86;-1.251.381059.123.73;-4.481.38106*000从SAC软件计算结果可以看出，该工程采用配二套半梁板模板支撑，14天建一层，楼板养护到14天时拆底层模板支撑的施工方案是安全可靠的，此时各层梁板在施工阶段的最低安全系数均为10，可以说很安全。3.国内对施工期结构安全控制办法存在问题的探讨3.1对规范在施工期结构安全控制方面的分析（1）规范操作比较简单，只要现场浇筑砼时留置同条件砼养护试块，根据砼构件跨度及同条件养护试块强度即可确定是否允许拆模，这样做便于在施工过程中进行控制；（2）规范仅仅从砼构件跨度及结构拆模时梁板砼强度达到砼设计强度的百分比即判定拆模时砼结构的安全性，应该说这只是一种施工经验的总结，是一个定性的概念，并无科学的定量分析。构件抗弯能力除与钢筋及砼强度有关外，只与构件的截面尺寸有关，与构件跨度是无关的。而拆掉底模后，梁板所需承受的最大弯矩，按照均布荷载