高层建筑混凝土结构施工活荷载的统计

摘 要：施工活荷载包括了施工堆载、施工人员及小型工具重量等,也是施工阶段模板支撑体系所需承受的主要荷载因素.近年来,随着我国高层建筑工程项目的日益增多,以及新型施工工艺、施工设备的应用,都容易导致高层建筑混凝土结构在施工过程中,其模板支撑面的活荷载值有所加大.为此,在当前相关技术规范仍不完善的条件下,有必要进行更加系统、全面的活荷载的调查与统计,以制定出更科学合理的施工活荷载的标准限制.本文通过现场实测,主要就高层建筑混凝土结构的施工活荷载进行了系统的调查与统计,并在此基础上建议了高层建筑混凝土结构各施工阶段的活荷载标准值限制.

关键字：高层建筑；混凝土结构；活荷载；统计解析

据相关统计数据表明,高层建筑工程在施工阶段的失效事故率明显较正常使用阶段为高.对我国近十年来共约400例高层建筑事故进行分析统计,75%以上的混凝土模板支撑体系倒塌事故发生在施工阶段,这也给国家与人民的生命财产安全带来了重大的损失.进入21世纪以来,我国众多学者纷纷加强了对建筑模板支撑体系的研究,并取得了一定的成果,然而对施工期间活荷载调查与统计方面的数据资料仍较少.伴随着高层建筑项目的日益增多,以及施工设备、施工工艺的不断改进,高层建筑施工阶段混凝土模板面上的活荷载值也出现了较大变化,这就需要做好对施工活荷载方面的调查与统计工作,通过对活荷载统计数据的不断更新,以满足当前高层建筑施工的设计需要与安全需要.

一、高层建筑施工活荷载的特点及相关统计方法介绍

近年来,高层建筑及多层建筑的施工安全问题已引起工程界、学术界越来多的关注,其主要原因是：一方面,伴随着我国各地高层建筑施工项目的增多,而施工过程中模板支撑体系倒塌事故和人员伤亡数目都逐渐呈现出上升的趋势；另一方面,则是随着当前高层建筑施工中施工工艺、施工设备的改进,其施工进度正不断加快,混凝土结构的受荷龄期正不断提前.以上因素都需要我们进行更为系统、全面的施工活荷载调查统计,以制定更科学的施工活荷载取值方法.

1.施工活荷载特点

正常使用期间的活荷载,包括了临时性与持久性活荷载这两种.而建筑混凝土结构施工期间的活荷载与正常使用期的活荷载有所区别,其主要包括了施工人员、材料及设备的重量,也是施工阶段模板支撑体系主需主要承受的荷载,既可以是集中荷载,也可以是局部均布荷载和局部线荷载.

在施工活荷载的统计分析时,由于其具有的较大不确定性与随机性,导致相关统计文献的结果差异也较大,例如：在赵挺生、梅源和张传敏[1]～[3]所进行的活荷载统计结果值,最大均值和最小均值分别为1.82kN/m2和0.19kN/m2,其数值相差近9倍.而美国学者Ayoub对美国多个建筑施工期间混凝土板面的荷载值,通过调查与统计分析工作发现,混凝土浇筑前期中局部区域的施工活荷载的最大值可达到61.2kN/m2,超过了标准值的10倍以上.

2.施工活荷载统计方法

（1）面积平均法.在《建筑施工模板安全技术规范》（JGJ162—2008）中规定,一般情况下施工活荷载的标准值为1kN/m2,若支撑模板上方存在大型设备时,施工活荷载标准值为4kN/m2.面积平均法即是根据规范中的数值,建立适当的活荷载概率统计模型.并在统计模型中将房间面积的平均荷载来替代等效均布荷载.该方法在理论上虽然不是很严格,但是在统计分析和计算时对结果不会造成很大影响,而且可以在很大程度上使调查和统计工作得到简化.

（2）等效均布荷载法.该方法是荷载统计分析和计算时最严格,也是最为常用的一种方法.在统计分析时通常按照跨中弯矩相对的原则进行等效分析.在本文中,对各类堆积荷载、集中荷载、零星荷载均可以通过等效均布荷载法得到准确的均布荷载值.如下图1所示,即是堆积荷载利用等效均布荷载法的计算简图.

如图1所示,即按照跨中弯矩相等的原则,将堆积荷载q的作用等效为两个相互垂直方向的荷载值qeq1和qeq2.在统计分析和计算时,即可取qeq1和qeq2两值的大者作为堆积荷载的等效值.对于集中荷载、零星荷载的等效值取值,也可按照上述方法进行.

二、统计方案的制定与统计结果分析

结合国内外研究资料综合研究表明,建筑混凝土结果的施工活荷载值主要受到施工技术、管理水平、地理位置、温度环境以及施工场地大小等多种因素的影响.为此,在本文中为确保统计数据的合理、准确,选择了全国多个地区在建阶段的40幢不同施工单位、不同建筑结构类型的高层建筑作为施工活荷载的调查与统计对象.如下图2所示,即为所调查的高层建筑的结构类型,其高度多在100米左右.

由于高层建筑混凝土模板支撑结构的施工过程,主要可划分为模板支撑阶段、混凝土浇筑阶段、放线和钢筋绑扎阶段、模板拆除阶段这四个不同的施工环节,且每一个施工阶段的活荷载值均有所不同.因此,在本文中着重将这四个阶段的施工活荷载进行了分别的调查统计与计算,调查内容主要为人员重量荷载、材料堆积荷载及机械设备重量荷载这三个方面.

图3～图6分别为本文中40栋高层建筑混凝土结构,在模板支撑阶段、混凝土浇筑阶段、放线和钢筋绑扎阶段、模板拆除阶段这四个阶段的等效均布荷载分布图,并初步推论得出高层建筑混凝土结构的施工活荷载分布情况呈现为指数分布.

从图3～图6的数值可以分析得出,在高层建筑混凝土施工的四个阶段中,其中混凝土浇筑阶段的施工活荷载的均值最低,约为其它三个阶段活荷载均值的1/2左右.这也与实际施工现场中所得出的结果是相同的,主要是由于在混凝土浇筑阶段,材料堆积重量中的钢筋与模块的荷载值被逐步转换为施工恒载荷.从上图中还可以发现,本文中高层建筑混凝土结构施工活荷载均值相较文献[1]～文献[3],以及我国现行规范中要求的施工荷载取值偏大,但比美国学者Ayoub所选用的施工活荷载值偏小.3、数学模型的建立

由于高层建筑混凝土结构施工各阶段的活荷载的分布情况,趋向与指数分布的概率密度函数形状.因此,可检测设施工活荷载呈指数分布,其分布密度函数可用下列方程式表达：

f（x）等于A×c-Bx（x≥0）

根据《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068-2001）中的要求,本文取分布密度函数f（x）大于95%,即相应施工活荷载的给定显著水平α为0.05.然后进行x2拟合与优度检验,并按照指数分布函数来明确各施工阶段活荷载的标准值与均值的大小,再利用文献[5]中的数理统计方法对函数f（x）中的参数A和B进行计算与估计,其计算结果见下表1所示.

三、高层建筑施工活荷载的取值建议

将统计结果与参考文献中多位国内学者给出的建议值相比,建议值相对较小,其主要原因是因为施工条件、管理条件、设备条件、环境温度等多种因素的不同所导致的.由于目前我国高层建筑施工活荷载的相关技术并不完善,为了确保高层建筑混凝土结构及模板支撑体系的安全,本文结合国家现行的施工验收规范以及结构设计规范,建议高层建筑混凝土结构各施工阶段的活荷载取值分别为：

模板支撑与模板拆除阶段活荷载标准值可取2.50kN/m2,钢筋绑扎阶段的活荷载标准值可取3.00kN/m2,砼浇筑阶段的活荷载标准可取值为1.50kN/m2.

总结：

本论文结合我国高层建筑混凝土结构的施工现状,对混凝土施工期间的活荷载进行了系统的调查与统计分析工作,并在统计分析的基础上建议了高层建筑混凝土结构各施工阶段的活荷载标准值限制.以此希望能对当前高层建筑施工期活荷载限制的取值上有一定参考与借鉴价值,从而使高层建筑的安全风险与事故问题得到有效控制,以进一步确保施工阶段建筑结构的安全.