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施工期钢筋混凝土结构安全分析的探讨

文档作者：曹军1，刘西拉2 文档来源： 1. 上海建科建设监理咨询有限公司2. 上海交通大学船舶海洋与建工学院		点击数：	更新时间： 2024年02月21日
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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（ACI 347-88）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（refined method）[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
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	≥50
	>2, ≤8	≥75
	>8	≥100
梁、拱、壳	≤8	≥75
	>8	≥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。

2.2 PKPM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。
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：
   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：
 
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 
则可以得到矩形截面相对受压区高度：
 
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
 
此层楼板所能承受的最大弯矩为：
 
结论：由于 ，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）	0	1*	0	0	0	
1（2层浇砼）	14	1	8.17	3.3；-4.04	1.38	10
		2*	0	0	0	
2（1层拆支撑）	15	1#	3.04	0.81;-1.31	1.38	10
		2	3.14	0.40;-1.27	1.52	
3（3层浇砼）	28	1	2.46	0.27;-0.94	1.38	10
		2	9.13	3.68;-4.48	1.38	10
		3*	0	0	0	
4（2层拆支撑）	29	1				
		2#	3.09	0.74;-1.39	1.38	10
		3	3.09	0.39;-1.23	1.52	
5（4层浇砼）	42	2	3.65	0.82;-1.30	1.38	10
		3	9.11	3.73;-4.48	1.38	10
		4*	0	0	0	
6（3层拆支撑）	43	2				
		3#	3.09	0.72;-1.42	1.38	10
		4	3.09	3.09;-1.23	1.52	
7（5层浇砼）	56	3	3.64	0.87;-1.25	1.38	10
		4	9.12	3.73;-4.48	1.38	10
		5*	0	0	0	
8（4层拆支撑）	57	3				
		4#	3.09	0.72;-1.42	1.38	10
		5	3.09	0.39;-1.23	1.52	
9（6层浇砼）	70	4	3.64	0.86;-1.25	1.38	10
		5	9.12	3.73;-4.48	1.38	10
		6*	0	0	0	
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，按照均布荷载来算(最常见的施工荷载受力状况)，其弯矩与构件跨度的平方成正比，因此，2m跨度与8m跨度的砼梁板，相同施工荷载条件下，构件所受最大弯矩相差16倍，而规范在2-8m跨度情况下，采用一刀切的方式，均要求砼强度达到设计强度75%即可拆模，即不经济也不安全。
（3）	规范对施工期梁板的结构安全控制，仅仅通过检查底层梁板拆模时砼强度是否达到规定要求，显得不够全面。因为上部结构施工荷载的不同，包括是否有大的施工堆载、是否建新层，都对底层梁板的受力状况大有影响，而规范对这些情况均不予考虑，忽视了每个具体工程的特殊性。
（4）	当然，作为统一指导施工的规范来讲，不可能也很难做到规定的很详细，但至少可以看出，我们在施工过程中，仅仅依靠规范条文来控制施工期的梁板结构安全是不够的。

3.2 对PKPM软件在施工期结构安全控制方面的分析
    从2.2节计算内容可以看出，作为目前国内大力推广应用的PKPM施工安全设施软件，其在处理施工期砼结构的梁板安全控制方面，还存在以下值得商榷之处：
（1）	PKPM软件的优点在于计算过程浅显明了，立即可以得出支撑层数及相应的计算过程，为施工单位编写施工方案及计算书提供了很大的便利。
（2）	PKPM软件在对施工期砼结构的梁板安全控制方面，不足之处在于：
1）	在计算底层梁板所承受的施工荷载时，PKPM软件将其通过支撑联系起来的上层梁板自重全部作为底层楼板承受的施工荷载，这一点忽略了施工期混凝土是一个时变结构的这一点。当对底层楼板所承受的施工荷载进行计算时，其上层混凝土楼板的刚度、强度均在迅速增长，通过位移变形协调，其上层楼板必将能承受相当一部分其自重荷载，而PKPM软件将其上层的梁板自重全部作为底层楼板承受的施工荷载，与实际情况是不相符的，如此计算，夸大了底层梁板拆模验算时其承受的施工荷载，从结果上看是偏于保守的。
2）	与规范存在问题一样，PKPM软件在验算底层模板是否可拆时，仅对底层拆除模板后即将承受的现有施工荷载进行了计算。但是，根据大多数工程实践经验，工程施工荷载情况千变万化，比如，底层拆模之后，很快将会在顶层搭设支撑建新层，而此时建新层新增加的施工荷载将通过支撑联接的几层混凝土梁板的结构位移协调新增加到底层混凝土梁板上。因此，尽管上部建新层时，底层混凝土楼板龄期有所增加，但所受施工荷载也将有明显增加，是否安全还需验算，PKPM软件未考虑这一点。
3）	目前，高层砼框架结构，楼板基本上均为连续板，PKPM软件在验算时，仅对板的跨中弯矩进行了计算，依据混凝土的时间温度曲线算出板跨中抗弯能力大于施工荷载引起的板跨中弯矩，即可得出拆除该层模板安全的结论。但是，有时连续板的支座负弯矩是大于其跨中弯矩的。通过SAC软件对本文工程实例计算结果就可以看出，板的支座负弯矩即大于其跨中弯矩值，因此，PKPM软件仅仅对板的跨中弯矩进行计算，而不考虑板的支座负弯矩是不全面的。
4）	PKPM在对是否可拆除底层模板进行计算时，仅对底层楼板进行计算也是欠妥的。因为，施工期通过支撑体系连系在一起的各层楼板是一个相互影响的时变结构体系。如果底层楼板下部支撑拆除，势必整个时变结构体系将发生位移协调变形，底层上面的楼板其所承受的施工荷载必将有所增加。而此时上层楼板的混凝土养护时间相对较短，因此该层楼板通过位移协调增加的施工荷载有可能会对该层楼板造成破坏。而且，如果拆掉底层楼板下的支撑，立即在顶层建新层的话，底层上面的楼板所承受的施工荷载也必将有所增加。因此，是否可拆除模板，应该不仅对要拆模的底层楼板进行强度验算，还应该对其上面的每一层楼板的强度进行验算才更妥当，也更安全。

3.3 对SAC软件在施工期结构安全控制的分析
（1）	通过本文概述中提到的SAC计算原理及2.3节计算内容可以看出，SAC软件是将施工期的钢筋混凝土结构作为一个时变结构来考虑的，它对施工期整个阶段每次施工步骤对各楼层受力的影响均进行受力安全分析，因此相对来讲，它更具有科学性与严谨性。
（2）	SAC软件能够给出施工中各种关键步骤，包括装支撑、装模板、浇筑混凝土、施加荷载、拆除支撑等与施工期钢筋混凝土结构安全密切相关的施工操作的力学模型，并对任意状态下的结构安全进行分析，给出结构施工是否安全的提示，从而在施工前和施工中对实际施工情况进行分析和模拟，判断该步施工是否安全，实现了结构施工质量和安全的全过程控制。同时，该软件的计算结果可以给出任意状态下的结构分析的计算结果信息，如某跨某断面的弯矩、弯矩总量、弯矩增量、剪力、剪力总量、剪力增量、挠度总量及挠度增量等，从而为工程技术人员对各种操作下的施工情况作出科学分析。
（3）	SAC软件可对各种不同模板施工方案，如不同施工周期、不同气温、不同支模层数、不同支撑刚度、不同拆模时间等条件进行调试演算，因此，SAC软件可很方便简捷地对楼板模板施工方案进行优化，对方案中的不足之处予以弥补。

4、结语
在中国广阔的土地上正在进行着世界上最大规模的基本建设。工程建造阶段的风险多来自设计、施工的失误和疏忽[3]。为解决上述问题必须全面突破传统格式。这不仅在空间上要由个别构件的分析扩展到整个结构及其耦联系统的分析；更重要的是在时间上，要由单纯的重视使用阶段延伸到考虑施工、使用和维修全过程。合理的工程安全水平是关系到国民经济发展和企业经济效益的重要问题，钢筋混凝土建筑结构在整个生命周期中应该有一个较为统一的、符合生命周期各个阶段特点的安全水平，这个安全水平客观上是由经济发展决定的。而目前钢筋混凝土结构施工规范还没有给企业提供这样的标准，施工企业也缺乏科学分析和控制钢筋混凝土结构施工期安全水平的方法和手段。
本文分析了目前我国对施工期混凝土结构梁板安全控制的几种方法，通过比较验证，从理论分析及工程实践的角度验证了SAC软件在施工期混凝土结构安全分析方面所具有的科学性和严谨性。我们完全有理由相信，通过实践对SAC软件进一步完善，使SAC软件尽早为我国工程技术人员服务，这对提高我国的施工技术水平，帮助工程技术人员从过去凭经验和规范规定转化未通过理论计算对施工期的结构安全性进行把握，从而提高我国钢筋混凝土工程在施工期的结构安全性将带来很大的帮助。

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