实测统计与分析混凝土房屋建筑的施工活荷载

[摘要]通过现场实测,以构件有效承载面积为统计对象,计算得出混凝土房屋建筑施工活荷载的统计参量,并参考国内外有关成果,按构件有效承载面积,建议了施工活荷载。

[关键词]房屋建筑;混凝土;施工活荷载;统计

近年来模板工程事故时有发生,模板工程失效的可能原因包括材料质量问题,模板支撑架设构造问题,模板支撑的承载力不足,施工活荷载过大,计算模型不合理等。在材料、制作质量保证的前提下,荷载和构件的强度是关系结构构件安全性的决定因素。施工活荷载,因受施工环境影响较大,荷载调查统计资料欠缺,是直接关系混凝土建筑模板工程安全的重要因素之一。为此,本文探讨以构件有效承载面积(等于支柱轴线所围面积)为统计单元的施工活荷载统计方法,通过工程实测,分析混凝土建筑施工活荷载的统计特性。

1施工活荷载统计方法

建筑结构设计中的活荷载,包括持久性活荷载和临时性活荷载,是通过对房屋建筑的房间或开间在10年内出现的最大荷载的调查结果,统计分析得出。活荷载的数据处理是以房间为单位,以每个房间每平方米面积的平均荷载(荷载密度)作为统计对象，它与结构设计中以房间尺寸为构件跨度进行设计分析的原则相一致。施工活荷载的统计应以模板支撑类临时结构的有效承载面积为基本单元进行统计分析。由于施工期间材料尺寸、密度以及现场堆放的随意性,直接计量施工荷载难度较大。本文通过连续测量新浇注混凝土楼面下模板支架内力,计算混凝土房屋建筑的施工活荷载。

2工程测试结果

2.1工程背景

某高层建筑,主楼地下1层、地上21层,裙房5层。主楼高90.25m(未包括主楼钢结构顶高度)。底层层高3.9m,2层为3.95m,其余楼层层高均为4.0m。主楼上部结构为现浇钢筋混凝土框架剪力墙体系。裙房为框架体系,抗震等级为一级。主楼梁板混凝土设计强度等级为C30,裙房柱为C40。主楼柱、剪力墙混凝土设计强度等级为:1~7层C55,8~13层C50,14~18层C45,18层以上C40。标准层混凝土楼板厚度为110mm。

标准层施工采用3层模板支撑,初期施工周期为10d,后期为7d。采用木质9层胶合板模板,厚20mm,45mm×85mm方木格栅,48mm×3.5mm钢管支柱(实测

弹性模量为1.821 4×105N/mm2),支架间距0.8m×1.0m。

2.2现场实测结果

现场测试采用YJ28A-P10R静态数字电阻应变仪,3mm胶基丝栅应变计,每个测试支架上布置2片应变计,取其平均值作为测试支架的应变。根据实测的支架内力时程,获得3层模板支架支模方案,施工荷载(包括施工活荷载)在时变结构中的分布规律如表1所示。在第1个施工循环的测试中,未对施工作业中施工材料的堆放进行控制,即为包含施工活荷载环境条件,测试结果见表1中的实测Ⅰ;第2个施工循环的测试,对施工作业中施工荷载的堆放作了控制,测试区环内每层楼板浇注后的施工荷载进行统计,即可获得一个施工循环中,施工荷载在模板支架和混凝土楼板中的分布规律。

由施工荷载随机过程:

S(t) =G(t)+L(t)(1)

可知施工活荷载随机过程:

L(t) =S(t)-G(t)(2)

第1阶段,施工期间有大量施工活荷载存在,代表了施工活荷载和静荷载共同作用结果,为s(t);第2阶段,施工期间严格控制施工活荷载,施工活荷载较小,代表施工静荷载的分布规律,此时L(t)的均值、均方差可假定等于0,此阶段测试荷载即为G(t)的样本g(t)。以2个阶段实测的施工荷载随机变量S1(tk1)和S2(tk1)表述式(2)为:

L(tk1) =S1(tk1)-S2(tk1) (3)

由此获得新浇楼面上施工活荷载的均值mL和均方差σL:

mL= E(S1(tk1))-E(S2(tk1))

=μ1-μ2(4)

计算得mL=0.66Q=1.82 kN/m2

(5)

计算得σL=0.55Q=1.51kN/m2

χ2检验表明(见表2),S1(tk1)和S2(tk1)均服从Γ分布,新浇楼面上施工活荷载L(tk1)作为其子样服从母体分布,其分布密度函数为:

(6)

其中,β=m/σ2=0.793 4;α=βm=1.44。

表2

3.2施工活荷载取值建议

基于实测施工活荷载服从Γ(α,β)分布,参数α=1.44,β=0.793 4,可以获得95%保证概率的施工活荷载标准值为4.8 kN/m2,当取99%保证概率时,这里建议设计有效承载面积为1m2的模板支架类构件时,施工活荷载取4.8kN/m2。由于施工期间荷载的集中性,当构件有效承载面积较大时,荷载统计值减小[4]。因此,当构件的有效承载面积为13.5m2(本文实测房屋建筑房间面积)时,可以采用模板支架内力均值1.8kN/m2作为施工活荷载标准值。

4结语

混凝土房屋建筑施工短暂状况设计验算的对象是早龄期混凝土结构和模板支撑类临时结构。为保证混凝土房屋建筑施工短暂状况的安全性,两类结构设计验算的施工荷载标准值,应按其相应有效承载面积统计分析。现场实测统计表明,混凝土房屋建筑施工阶段的施工活荷载服从Γ(α,β)分布,施工活荷载的统计均值为1.82kN/m2,均方差为1.51kN/m2。依据国内外有关施工活荷载的研究成果和有关标准,建议设计有效承载面积15m2时,施工活荷载取2.5kN/m2;有效承载面积位于上述界限之间时,施工活荷载线性内插确定。

参考文献:

[1]GB50009-2001,建筑结构荷载规范[S].

[2]王光远.论时变结构力学[J].土木工程学报,2000,33(6):105-108.

[3]赵挺生,龙奋杰,方东平,等.钢筋混凝土建筑结构施工短暂状况设计分析[J].工程力学,2004,20(4):39-44.