梁式支架施工活荷載合理取值方法

武道凱，趙玉紅，張文學，費愷

（1.北京工業大學建筑工程學院，北京100124；2北京城建亞泰建設集團有限公司，北京100013）

梁式支架施工活荷載合理取值方法

武道凱1，趙玉紅1，張文學1，費愷2

（1.北京工業大學建筑工程學院，北京100124；2北京城建亞泰建設集團有限公司，北京100013）

施工活荷載具有區域性的特點，只作用在施工工作面上。在通常的臨時結構設計理論中，施工活荷載施加在整個混凝土澆筑面上，當混凝土澆筑面積較大時，這可能會使結構在設計驗算時承受過多本不存在的荷載，造成設計過于保守。為研究通常的施工活荷載取值方法的保守程度，以梁式支架為例，首先介紹了現行臨時結構設計理論對于施工活荷載的取值方法，然后從理論及實際工程兩個層面上分析了這種取值方法的保守程度，最后提出了梁式支架施工活荷載的合理取值方法。

臨時結構；梁式支架；施工活荷載；合理取值；施工工作面；混凝土澆筑面

在橋梁施工領域，梁式支架是施工時一種常用的支架，因具有能夠跨越河流、道路的優點而得到了廣泛應用。梁式支架屬于施工臨時結構，在設計驗算時，必須考慮在施工過程中包括施工人員和設備的自重、混凝土振搗等帶來的施工活荷載。施工活荷載具有區域性和時變性特點，其作用時并非存在于整個混凝土澆筑區域（其面積稱為混凝土澆筑面積），而只存在于施工工作面內，即澆筑區域內澆筑施工時施工機具布置及工人操作所占的面積范圍內，且隨施工過程而變化。然而現有設計理論中施工活荷載往往是施加在整個混凝土澆筑區域，而不是施工工作面內。那么當整個混凝土澆筑區域較小，即與施工工作面相近時，這種取值方法可能較為合適，但當整個混凝土澆筑區域遠大于施工工作面時，采用相同的施工活荷載取值方法則可能導致支架承受過多本不存在的荷載從而造成經濟浪費。

目前，關于臨時結構施工活荷載多是對其荷載標準值進行研究［1-4］，關于施工活荷載作用范圍的研究較少。同時，我國現行關于臨時結構設計的規范，并沒有對不同大小的混凝土澆筑區域給出不同的施工活荷載標準值，而是采取了歸一化的處理方式。為此，本文首先根據規范中施工活荷載大小并結合現有的支架設計理論，從理論上分析了不同大小混凝土澆筑面積下對于施工活荷載考慮的保守程度，然后結合實際梁式支架測試結果進行分析，最后提出了梁式支架施工活荷載的合理取值方法。

1　梁式支架設計中施工活荷載取值方法

1.1現行規范對施工活荷載的規定

對于施工活荷載的大小，相關規范主要有《公路橋涵施工技術規范》（JTG/T F50—2011）［5］、《鐵路混凝土與砌石工程施工規范》（TB 10210—2001）［6］和《建筑施工模板安全技術規范》（JGJ 162—2008）［7］，3個規范對于施工活荷載的規定是相同的：對施工人員和設備荷載，根據驗算部位的不同而取不同的荷載標準值；對于混凝土振搗荷載，則不區分驗算部位，統一取值；同一部位的荷載標準值并沒有因混凝土澆筑面積的不同而取不同的數值，詳見表1。

表1　現行規范對于施工活荷載的規定kN/m2

1.2荷載在設計驗算時的取值方法

梁式支架在設計驗算時，要對相關的荷載進行荷載組合，得到施加在結構上的均布荷載。以承載力驗算為例，需要考慮的荷載：梁體鋼筋混凝土自重G1k、模板、支架自重等恒荷載G2k；施工人員和澆筑設備的荷載Q1k、振搗混凝土產生的振動荷載Q2k等施工活荷載。當不考慮風載時，按恒荷載效應控制組合，得到組合后的均布荷載

式中：γG為恒荷載分項系數，取1.35；γQ為施工活荷載分項系數，取1.4。

將組合后的荷載施加到整個混凝土澆筑面上進行承載能力驗算，致使施工活荷載作用范圍是整個混凝土澆筑面，因而施工活荷載大小是根據整個混凝土澆筑面確定。

2　施工活荷載取值方法保守程度研究

為了分析現有的設計理論對施工活荷載取值的保守程度，將分別從施工活荷載與混凝土澆筑面積的關系以及施工活荷載不同取值方法導致的差值與支架設計總荷載的關系2個方面進行研究。為了便于分析，做出以下假定：

1）當混凝土澆筑面積A（或者混凝土施工總面積）≤A1（1個施工作業組完成的混凝土澆筑面積）時，由1個施工作業組完成，當A＞A1時，由2個施工作業組共同完成混凝土澆筑；

2）施工作業組可以獨立完成混凝土澆筑工作，其施工工作面面積一定，設為A0。正常情況下，A0≤A。

2.1施工活荷載總值與混凝土澆筑面積的關系

施工活荷載總值Pw按混凝土整個澆筑區域計算

按施工工作面計算，只有1個施工作業組時，施工活荷載值

當有2個施工作業組時，施工活荷載值

2種取值方法的差值，僅1個施工作業組時

當有2個施工作業組時

施工活荷載總值隨混凝土澆筑面積變化曲線如圖1所示。

圖1　施工活荷載總值與混凝土澆筑面積關系

從圖1可以明顯地看出，按混凝土澆筑區域計算的施工活荷載總值隨混凝土澆筑面積的增大而增大，而按施工工作面計算的施工活荷載總值當澆筑面積不大于A1時保持一個定值，在大于A1時保持另一個較大的定值。兩者差值基本上隨澆筑面積的增大而逐漸增大。若取A0=25 m2，A1=500 m2，則不同澆筑面積對應的施工活荷載總值如表2所示。

表2　不同澆筑面積對應的Pw與Pp

從表2看出，當從25 m2增加到1 000 m2的過程中，差值從0增大到3 990 kN。以常見的高速鐵路雙線簡支箱梁為例，其長度32 m，頂寬13.4 m，混凝土澆筑面積達到428 m2，此時施工活荷載按混凝土澆筑區域計算的總值是按施工工作面計算的15倍，兩者相差1 700 kN。

結合上述分析，從絕對值上看，現有設計理論關于施工活荷載的取值方法是非常保守的。

2.2差值與支架設計總荷載的關系

施工活荷載總值按不同取值方法得到的數值之差從絕對值上看是很大的，為進一步分析該差值在整個設計荷載中的相對大小，進行以下探討。

當施工荷載總值分別按混凝土整個澆筑區域及施工工作面計算時（只有1個施工作業組時），支架設計總荷載分別如式（7）及式（8）所示。

從而

假定

將式（10）和式（11）代入式（9），經整理可得

當有2個施工作業組時

取γG=1.35，γQ=1.40，則式（12）與式（13）的函數曲線見圖2。

圖2　ΔL/Lw與α的關系曲線

從圖2中可以看出，對于每一條曲線，隨著α的增大，曲線逐漸上升，當α增大到20時，曲線稍有回落然后繼續上升。曲線的上升速率隨著α的增大而逐漸減小，當β取8，9和10時，ΔL/Lw分別逼近于11%，10%和9%。此外，ΔL/Lw隨著β值的增大而減小。

通常情況下，梁式支架的混凝土澆筑面積不會過小，因而可以認為α≥5，那么，當β取8，9和10時，ΔL平均值將分別達到設計荷載Lw的10.4%，9.4%和8.5%。這說明，施工活荷載按混凝土澆筑區域計算的總值與按施工工作面計算的總值的差值在整個支架設計荷載中占有不可忽視的比例。

通過施工活荷載絕對數值以及相對比例2個方面的分析可以看出，現有設計理論對施工活荷載的取值是非常保守的。

3　工程測試結果

3.1工程背景

為實測現有的設計理論對施工活荷載取值的保守程度，進行了實際工程測試。工程選取佛山西站K16簡支梁，其結構為雙箱單室后張法預應力箱梁，長度32 m，寬度為13.4 m，澆筑面積近430 m2。如圖3所示，支架采用梁式結構：兩橋墩間支墩為4排鋼管樁，排間距9 m；每排鋼管樁均由6根間距2.45 m的φ600 mm鋼管組成，鋼管樁頂設置2根I40a工字鋼作為橫梁；橫梁上方為貝雷梁組成的縱梁；縱向貝雷梁上為I10a工字鋼橫向分配梁。施工期間由一臺泵車向箱梁輸送混凝土。

3.2現場實測結果

現場測試對象為圖3（a）中第2排鋼管樁，依次編號為1#至6#，見圖3（b）。

測試采用DH3815N靜態應變儀和3 mm膠基絲柵應變計。為減少鋼管受彎對數據的影響，在每個鋼管樁上對稱布置2個應變計，取其平均值作為該鋼管樁的應變。測試始于即將開始澆筑混凝土，止于混凝土澆筑完畢，期間每隔約1 h采一次樣，同時記錄采樣時的混凝土澆筑量，測試期間無風。各鋼管樁實測軸力見圖4，各采樣時間混凝土澆筑量見表3。

圖3　支架結構示意

圖4　各鋼管樁實測軸力

表3　混凝土澆筑量

3.3實測數據分析

在圖4中第0～8次采樣過程中，隨著澆筑過程的持續，各鋼管樁軸力大致呈逐漸增大的趨勢，而在第9次采樣時，各鋼管樁軸力下降，這可能是由于底層澆筑的混凝土初凝，箱梁自身承擔一部分荷載所致。施工活荷載的計算依據第0～8次采樣數據。

忽略橋墩承重作用，最終將實際支架系統進行桿系簡化。結合表3中數據，按現行設計方法推算出施工過程中各采樣時間混凝土自重與施工活荷載的規范組合值在鋼管樁中的軸力效應。另外，為了解實際澆筑過程中施工活荷載的變化情況，又推算出了各采樣時間混凝土自重標準值在鋼管樁中的軸力效應。計算軸力效應時，施工人員和設備的荷載取1.0 kN/m2，而混凝土振搗荷載取2.0 kN/m2，各軸力效應及實測結果（1#～6#鋼管樁實測軸力之和）見圖5。

圖5　鋼管樁軸力實測值與理論值

圖6　施工工作面取不同縱向長度時鋼管樁軸力

從圖5中可以看出：①對比實測值與規范組合值軸力效應曲線，實測值明顯小于按設計方法計算的軸力，兩者的差值實際上由施工活荷載加載面積與分項系數2個因素共同作用導致的。相應的數據計算表明，理論值平均超出實測值72.6%，最大達到84.3%，在第8次采樣時達到75.5%，對應差值為1 778 kN。②對比實測值與混凝土自重軸力效應曲線，兩者的差值基本上呈逐漸減小的趨勢，即表明鋼管樁所承受的施工活荷載隨著澆筑過程是逐漸減小的。③雖然施工活荷載是逐漸減小的，但鋼管樁總的軸力隨著澆筑過程逐漸增大。

梁式支架的設計驗算是依據最不利荷載工況進行的。鋼管樁的軸力在澆筑后期即第8次采樣時達到最大值，此時混凝土澆筑基本完畢，但依然有施工活荷載存在，該時刻對應設計驗算時荷載的最不利工況。此時，按設計方法計算的混凝土自重與施工活荷載的組合產生的軸力超出實測結果近76%，超出數值達到1 778 kN，而這僅僅是對應一排鋼管樁，如果考慮支架其他鋼管樁，則超出數值將近5 000 kN。這說明，現有設計方法確實會導致設計荷載過于保守。

4　施工活荷載合理取值方法建議

梁式支架設計時，如果混凝土澆筑面積在200 m2以下，可以按通常的施工活荷載取值方法進行設計；而如果混凝土澆筑面積＞200 m2，建議對施工活荷取值方法進行相應的調整。

考慮到施工時人員設備以及振搗荷載只是在局部存在，因而設計時可以將施工活荷載只施加在鋼管樁正上方一片矩形區域，該區域實際代表施工工作面。施工工作面的橫橋向范圍，建議與梁寬度相同，而縱橋向范圍則根據施工工作組的人員數量、施工機具型號、數量等因素綜合確定。

當施工工作面縱橋向范圍L取不同數值時鋼管樁的軸力見圖6。可知，鋼管樁的軸力隨著澆筑過程均呈逐漸增大的趨勢。雖然在澆筑前期鋼管樁的軸力不同程度地小于實測值，但是在澆筑后期均不同程度地超過實測值，從而按照該取值建議進行梁式支架的設計驗算是安全的。數據計算表明，當L取2，3和4 m時，在實測軸力達到最大值時，計算的鋼管樁軸力分別超出實測值37.5%，41.0%和44.5%。當施工工作面縱橋向范圍取2 m時，相比通常的設計方法，能夠做到既經濟又安全。這說明，按照建議的施工活荷載取值方法進行梁式支架設計是可行的。

5　結論

1）按現行梁式支架設計驗算方法，采用規范推薦的施工活荷載進行設計驗算，會造成施工活荷載考慮過于保守，尤其是當混凝土澆筑面積增大時。

2）對于梁式支架的鋼管樁而言，施工活荷載在整個混凝土澆筑過程中并不是保持不變的，其隨澆筑過程基本上呈逐漸減小的趨勢。

3）梁式支架設計時，施工活荷載取值可以按施工工作面并依據最不利位置確定，兼顧安全性與經濟性。

［1］張傳敏，方東平，耿川東，等.鋼筋混凝土結構施工活荷載現場調查與統計分析［J］.工程力學，2002，19（5）：62-66.

［2］趙挺生，李樹遜，顧祥林.混凝土房屋建筑施工活荷載的實測統計［J］.施工技術，2005，34（7）：63-65.

［3］苗吉軍，顧祥林，方曉銘.高層建筑混凝土結構施工活荷載的統計分析［J］.建筑結構，2002（3）：7-9.

［4］呂毅剛，張建仁，劉揚.混凝土斜拉橋懸澆施工期主梁活荷載調查與統計分析［J］.中外公路，2005，25（1）：38-42.

［5］中華人民共和國交通部.JTG/T F50—2011公路橋涵施工技術規范［S］.北京：人民交通出版社，2011.

［6］中華人民共和國鐵道部.TB 10210—2001鐵路混凝土與砌石工程施工規范［S］.北京：中國鐵道出版社，2001.

［7］中華人民共和國住房和城鄉建設部.JGJ 162—2008建筑施工模板安全技術規范［S］.北京：中國建筑工業出版社，2008.

Rational Value of Construction Live Loads for Beam-pier Scaffolding

WU Daokai1，ZHAO Yuhong1，ZHANG Wenxue1，FEI Kai2
（1.College of Architecture and Civil Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China；2.Beijing Urban Construction Yatai Group Co.，Ltd.，Beijing 100013，China）

Construction live load acts at local working area.As for concrete casting，the construction load is assumed to act on the entire casting face in design.W hen the area is large，the designed load is over-estimated and thus the design is too conservative.T aking the beam-pier scaffolding as example，the conservative degree of the value method of construction live loads was studied.Firstly，the value method of construction live loads was described by the current structure design theory.Secondly，the conservative degree of the value method was analyzed from theoretical and practical aspects.Finally，suggestion on rational value of construction live loads was proposed.

T emporary structure；Beam-pier scaffolding；Construction live load；Rational value；Construction working face；Concrete casting face

U445

ADOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2016.09.12

1003-1995（2016）09-0047-05

（責任審編趙其文）

2016-02-25；

2016-06-16

武道凱（1990—），男，助理工程師，碩士。