内框架箱型混凝土结构施工活荷载实测分析

 　摘要：施工期早龄期钢筋混凝土结构与模板支撑系统组成临时承载体系为时变结构，其承担的荷载主要有新浇筑混凝土自重与包括施工人员和设备荷载以及混凝土浇筑时产生的冲击和振捣荷载在内的施工活荷载。将多层连续施工时变结构体系模拟成一组弹性支撑连续板，根据该模型分析了施工期现浇钢筋混凝土结构的受力特性。根据现场实测数据，以构件有效承载面积为统计对象，计算了混凝土施工荷载的统计参量，并参考相关研究成果，以95%的置信度对施工期活荷载标准值进行反演，建议施工活荷载标准值取2.5 kN/m2。 

　　关键词：临时承载体系；时变结构；弹性支撑连续板；施工活荷载；反演 

　　Abstract：The temporary supporting system also referred as time-dependent structural system during construction， consist of early-age reinforced concrete structures and formwork supporting system. It bears the load including the new concrete weight and the live construction load. A model of continuous beam with spring supports is put forward to analyze the mechanical characteristics of the reinforced concrete structures during construction. Based on-site measuring data， effective bearing area of members were used as statistical objects to calculate statistical parameters of live construction load of concrete buildings. By referring todomestic and foreign achievements， the the standard value of the live construction load was inverted with 95% reliability and standard value of live construction load of 2.5 kN/m2. is recommended . 

　　Key words：temporary supporting system； time-dependent structure； continuous beam with spring supports； live construction load； vibration. 

　　钢筋混凝土结构施工过程中，由模板及支撑承担新浇筑混凝土的自重及施工活荷载，随后该层混凝土具有一定的承载能力，故施工期临时支撑系统由早龄期钢筋混凝土及模板支撑两部分组成[1-2]，它是一个时变结构体系[3]，随着龄期的增长，新浇筑混凝土的强度不断提高。近年来各国学者不断对该类型时变结构体系进行研究，广泛运用弹性连续支撑板模型[4-7]，该模型认为在现浇钢筋混凝土结构施工期间，承担荷载传递的模板支撑系统是连续均匀分布的弹性支撑，支撑楼板是弹性板。对凝土结构新浇筑楼板施工活荷载进行了研究，指出以有效承载面积计算等效均布荷载、建立概率模型拟合施工活载荷载的方法，并在施工现场进行了调查验证；谢楠等[10-11]将二维结构影响线的概念推广到三维模板支撑体系，采用机动法给出了模板支架立杆轴力影响面的表达式，给出了荷载作用效应正负区域的等效影响面高度，并提出了混凝土荷载、施工活荷载和大型布料设备荷载的标准值。赵挺生等[12-13]以构件有效承载面积为统计对象，建议了不同设计有效承载面积时施工活荷载的取值范围；并指出分析梁板柱混凝土结构施工阶段承担的施工荷载时，应按梁、板两个时变结构分别计算作用于梁、板以及梁与板上支架的施工荷载。苗吉军等[14]研究了高层建筑混凝土结构施工过程中的施工活荷载，通过对国内外施工活荷载统计结果比较，给出了各阶段施工活荷载的数学模型和建议标准值。 

　　目前，对房屋建筑领域内多层连续混凝土模板支架的研究较多，对混凝土结构施工期活荷载的计算及实测也为类似工程的设计施工提供了一定的指导，但市政工程项目因其特殊性（层高、跨度大，结构板较厚，承担荷载较大等）成为近年来施工安全事故的高发区，针对其施工活荷载的研究也逐渐增多。 

　　本文以内框架箱型结构岛式地铁车站两层连续模板支撑的现场实测为基础，运用弹性连续支撑板模型，以构件有效承载面积为统计对象进行施工期活荷载反演，运用预警监测技术对施工阶段地铁车站进行安全控制研究，可为类似工程提供指导。 

　　1 弹性支撑连续板简化模型 

　　在对多层混凝土结构进行分析时，楼板之间的模板支撑可以看作是一种弹性支撑，这种弹性支撑连续均匀的分布于楼板之间。在外荷载F的作用下，可以根据变形协调及力的平衡条件对其进行求解，如图1所示，本文测试的两层连续支撑架可简化为三层楼板两层弹性支承，其力的平衡及变形协调方程为 

　　2 现场测试 

　　对某地铁换乘站梁板结构施工进行了两层连续模板支架测试，依据弹性连续支撑板模型进行了结构板与支撑架共同承力分析，讨论了荷载传递规律，并为反演施工期活荷载取值提供数据基础。 

　　2.1 工程概况 

　　某地铁车站为一号线与中远期三号线的换乘站，两部分车站一次建成，分期运营，整个车站呈“T”型布置，车站结构形式为内框架箱型结构岛式车站。车站主体结构顶层混凝土板厚900 mm（局部厚度为800 mm），底层混凝土板、二层混凝土板厚度500 mm（局部厚400 mm），底层结构层高6.05 m（局部6.15 m），二层结构层高4.95 m。基坑剖面见图2，图中虚线为混凝土梁板柱结构，加粗区域为连续测试的两层模板支撑架位置，称为测区1和测区2。 　　施工时采用Ф48 mm×3.5 mm碗扣式钢管满堂支架作为临时支撑结构，架体立杆横距la=900 mm、纵距lb=900 mm、步距h=1 200 mm，为满足侧墙模板支撑的承力需求，运用扣件式钢管将步距调整为600 mm，组成混合模板支架；混凝土浇筑采用泵送形式、泵管末端为软导管。 

　　2.2 测试系统设置 

　　现场测试采用DH3816静态应变测试系统进行模板支架立杆应变采集。该工程的模板支架在应用过程中各杆件均处于弹性阶段，故数据处理过程中假定钢管材料强度设计值205 N/mm2，钢管为弹塑性材料，弹性模量为2.06×105 N/mm2， 由σ=Eε和N=σA可得到模板支架中各测试立杆的轴力。 

　　测区1和测区2的模板支架搭设参数及位置均相同，故选取上下层位置对应的立杆进行应变测试，立杆位置如图3所示，立杆1L10和立杆2L10四周的加粗区域为单根立杆等效承载面积的平面示意；各测杆上的应变测点布置如图4所示，每根立杆布置4个应变测点，图中Li为立杆编号，i=1，2，…，17。 

　　模板支架一第一次受力时应变数据采集时间间隔为：混凝土浇筑前每5 min进行一次采样，且在混凝土浇筑前两天开始进行采样；混凝土浇筑过程中，每2 min进行一次采样；混凝土浇筑完成后，每5 min采样一次。模板支架二及模板支架一第二次受力时应变数据采集时间间隔为：混凝土浇筑前每10 min进行一次采样，且在混凝土浇筑前两天开始进行采样；混凝土浇筑过程中，每5 min进行一次采样；混凝土浇筑完成后，每10 min采样一次。 

　　2.3 测试结果分析 

　　为方便区分不同施工阶段两层模板支架的受力情况，现规定如下：将模板支架一的立杆在测区1顶板混凝土浇筑期间的轴力变化过程记为阶段一；将模板支架一的立杆在测区1顶板混凝土开始养护至测区2顶板混凝土浇筑期间的轴力变化过程记为阶段二；将模板支架二的立杆在测区2顶板混凝土浇筑期间的轴力变化过程记为阶段三；模板支架一、模板支架二、测区一及测区二的位置示意见图2。 

　　施工中立杆轴力因混凝土的倾倒急剧增大，振捣使得立杆轴力出现波动现象，阶段一立杆轴力时程如图5所示；阶段二立杆轴力时程如图6所示；阶段三立杆轴力时程如图7所示。图5～图7中横坐标为表示时间点的采集次数（图5～图7仅为示意，各阶段不同立杆轴力变化趋势一致。图5为立杆1 L10在二层混凝土板开始浇筑至完成浇筑过程中的轴力变化，图6为立杆1 L10在二层混凝土板浇筑完成至顶层混凝土板浇筑完成期间的轴力变化，图7为立杆2 L10在顶层混凝土板开始浇筑至完成浇筑过程中的轴力变化。）。 

　　阶段一数据采集较为密集，不方便整理分析，故阶段二和阶段三将数据的采集频率降低。 

　　测区1顶板混凝土一次浇筑成型，故模板支架的内力有一次突变过程，如图5所示，OA段为混凝土浇筑至测试立杆附近时，测试立杆已开始缓慢受力； AB段为模板支架内力的瞬时突增过程，增幅约为10 kN（此值与单根立杆有效承载面积内新浇混凝土的重量相近），且立杆轴力随着BC段混凝土的振捣不断波动，波动频率较快、幅值在5～9 kN范围内。 

　　测区1顶板混凝土浇筑完成后，模板支架一承担全部混凝土重量，即阶段二初期立杆轴力仍缓慢增长，见图6中OA段；随着混凝土养护过程的推进，测区1顶板混凝土强度不断增长、逐渐承担自身重量，立杆轴力也随之减小，如AB段所示；测区2顶板混凝土分两次浇筑，故模板支架一第二次承载时立杆的轴力有BC段和DE段两次明显的突增过程。 

　　如图7所示，模板支架二与模板支架一第二次受力时变化趋势相近，立杆轴力也出现了AB段和CD段两次波动，但其增长速度比模板支架一快、突增幅值也比模板支架一大，主要原因为测区1顶板混凝土已具有一定的强度、可承担部分上层荷载，经过内力重分配后将部分荷载传递给模板支架一。 

　　3 施工期活荷载反演 

　　施工活荷载反演的步骤为 

　　1）以现场测试的立杆轴力为基础，反演单根立杆有效承载面积上的等效荷载值； 

　　2）分析该等效荷载值的组成部分，从中提取施工活荷载测试值； 

　　3）运用数理统计中区间估计的方法求得施工活荷载所在的区间范围，确定施工活荷载标准值。 

　　3.1 计算施工期活荷载等效值 

　　每个阶段测试了17根立杆的应变，但因施工现场环境的复杂性使立杆16和立杆17的测点遭到破坏，故将各阶段测试所得的15根立杆应变数据转换为其轴力，见表1（压力以负值表示，拉力以正值表示）。表中每根立杆的轴力由图4所示的4个测点应变计算得到，当4个测点应变同号（可能出现立杆弯曲导致拉压应变同时出现在一根立杆上）时以其平均值进行计算；当4个测点应变异号时以绝对值较大的同号应变测点的平均值进行计算。因测试为长期连续过程，无法将全部数据给出，故表中仅罗列各阶段立杆轴力的最大值、最小值和全段均值，作为反演施工活荷载的测试数据基础。 

　　采用有效影响面积的方法对施工活荷载进行推导，推导中认为每根立杆承担的荷载包含以其为角点的4个矩形面单元荷载的1/4，反之每个矩形单元的荷载可由其角部4根立杆测试得到的轴力共同组成。以单根立杆承担的荷载为研究对象，将其等效为有效影响面积内的均布面荷载值，设计中考虑荷载的最不利影响，故以实测轴力的最大值进行反演，等效面荷载见表2。 

　　表2中等效面荷载值q=Pmax/Aequ，其中，Pmax为表1中各阶段立杆的最大轴力值，Aequ=la×lb为单根立杆的有效承载面积，如图3中立杆1L10和立杆2 L10周围的加粗区域所示。 

　　表3中的施工活荷载具有较强的离散性，出现正值的主要原因在于：参考规范对立杆轴力设计值进行计算时，选取的荷载设计值以等值集中力的形式作用于每根立杆端部，但实际工程中由于施工现场模板支架的搭设必然存在缺陷，使得立杆不可能均匀受力，因此，由测量所得的立杆轴力对板面施工活荷载进行反演必然导致部分为正值（拉力）、部分为负值（压力）。 　　[5]赵挺生，方东平，张传敏.施工阶段多（高）层建筑钢筋混凝土结构统一模型[J].清华大学学报：自然科学版， 2004， 44（12）：1680-1683. 

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