梁式支架施工活荷载合理取值方法

武道凯，赵玉红，张文学，费恺

（1.北京工业大学建筑工程学院，北京100124；2北京城建亚泰建设集团有限公司，北京100013）

梁式支架施工活荷载合理取值方法

武道凯1，赵玉红1，张文学1，费恺2

（1.北京工业大学建筑工程学院，北京100124；2北京城建亚泰建设集团有限公司，北京100013）

施工活荷载具有区域性的特点，只作用在施工工作面上。在通常的临时结构设计理论中，施工活荷载施加在整个混凝土浇筑面上，当混凝土浇筑面积较大时，这可能会使结构在设计验算时承受过多本不存在的荷载，造成设计过于保守。为研究通常的施工活荷载取值方法的保守程度，以梁式支架为例，首先介绍了现行临时结构设计理论对于施工活荷载的取值方法，然后从理论及实际工程两个层面上分析了这种取值方法的保守程度，最后提出了梁式支架施工活荷载的合理取值方法。

临时结构；梁式支架；施工活荷载；合理取值；施工工作面；混凝土浇筑面

在桥梁施工领域，梁式支架是施工时一种常用的支架，因具有能够跨越河流、道路的优点而得到了广泛应用。梁式支架属于施工临时结构，在设计验算时，必须考虑在施工过程中包括施工人员和设备的自重、混凝土振捣等带来的施工活荷载。施工活荷载具有区域性和时变性特点，其作用时并非存在于整个混凝土浇筑区域（其面积称为混凝土浇筑面积），而只存在于施工工作面内，即浇筑区域内浇筑施工时施工机具布置及工人操作所占的面积范围内，且随施工过程而变化。然而现有设计理论中施工活荷载往往是施加在整个混凝土浇筑区域，而不是施工工作面内。那么当整个混凝土浇筑区域较小，即与施工工作面相近时，这种取值方法可能较为合适，但当整个混凝土浇筑区域远大于施工工作面时，采用相同的施工活荷载取值方法则可能导致支架承受过多本不存在的荷载从而造成经济浪费。

目前，关于临时结构施工活荷载多是对其荷载标准值进行研究［1-4］，关于施工活荷载作用范围的研究较少。同时，我国现行关于临时结构设计的规范，并没有对不同大小的混凝土浇筑区域给出不同的施工活荷载标准值，而是采取了归一化的处理方式。为此，本文首先根据规范中施工活荷载大小并结合现有的支架设计理论，从理论上分析了不同大小混凝土浇筑面积下对于施工活荷载考虑的保守程度，然后结合实际梁式支架测试结果进行分析，最后提出了梁式支架施工活荷载的合理取值方法。

1　梁式支架设计中施工活荷载取值方法

1.1现行规范对施工活荷载的规定

对于施工活荷载的大小，相关规范主要有《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T F50—2011）［5］、《铁路混凝土与砌石工程施工规范》（TB 10210—2001）［6］和《建筑施工模板安全技术规范》（JGJ 162—2008）［7］，3个规范对于施工活荷载的规定是相同的：对施工人员和设备荷载，根据验算部位的不同而取不同的荷载标准值；对于混凝土振捣荷载，则不区分验算部位，统一取值；同一部位的荷载标准值并没有因混凝土浇筑面积的不同而取不同的数值，详见表1。

表1　现行规范对于施工活荷载的规定kN/m2

1.2荷载在设计验算时的取值方法

梁式支架在设计验算时，要对相关的荷载进行荷载组合，得到施加在结构上的均布荷载。以承载力验算为例，需要考虑的荷载：梁体钢筋混凝土自重G1k、模板、支架自重等恒荷载G2k；施工人员和浇筑设备的荷载Q1k、振捣混凝土产生的振动荷载Q2k等施工活荷载。当不考虑风载时，按恒荷载效应控制组合，得到组合后的均布荷载

式中：γG为恒荷载分项系数，取1.35；γQ为施工活荷载分项系数，取1.4。

将组合后的荷载施加到整个混凝土浇筑面上进行承载能力验算，致使施工活荷载作用范围是整个混凝土浇筑面，因而施工活荷载大小是根据整个混凝土浇筑面确定。

2　施工活荷载取值方法保守程度研究

为了分析现有的设计理论对施工活荷载取值的保守程度，将分别从施工活荷载与混凝土浇筑面积的关系以及施工活荷载不同取值方法导致的差值与支架设计总荷载的关系2个方面进行研究。为了便于分析，做出以下假定：

1）当混凝土浇筑面积A（或者混凝土施工总面积）≤A1（1个施工作业组完成的混凝土浇筑面积）时，由1个施工作业组完成，当A＞A1时，由2个施工作业组共同完成混凝土浇筑；

2）施工作业组可以独立完成混凝土浇筑工作，其施工工作面面积一定，设为A0。正常情况下，A0≤A。

2.1施工活荷载总值与混凝土浇筑面积的关系

施工活荷载总值Pw按混凝土整个浇筑区域计算

按施工工作面计算，只有1个施工作业组时，施工活荷载值

当有2个施工作业组时，施工活荷载值

2种取值方法的差值，仅1个施工作业组时

当有2个施工作业组时

施工活荷载总值随混凝土浇筑面积变化曲线如图1所示。

图1　施工活荷载总值与混凝土浇筑面积关系

从图1可以明显地看出，按混凝土浇筑区域计算的施工活荷载总值随混凝土浇筑面积的增大而增大，而按施工工作面计算的施工活荷载总值当浇筑面积不大于A1时保持一个定值，在大于A1时保持另一个较大的定值。两者差值基本上随浇筑面积的增大而逐渐增大。若取A0=25 m2，A1=500 m2，则不同浇筑面积对应的施工活荷载总值如表2所示。

表2　不同浇筑面积对应的Pw与Pp

从表2看出，当从25 m2增加到1 000 m2的过程中，差值从0增大到3 990 kN。以常见的高速铁路双线简支箱梁为例，其长度32 m，顶宽13.4 m，混凝土浇筑面积达到428 m2，此时施工活荷载按混凝土浇筑区域计算的总值是按施工工作面计算的15倍，两者相差1 700 kN。

结合上述分析，从绝对值上看，现有设计理论关于施工活荷载的取值方法是非常保守的。

2.2差值与支架设计总荷载的关系

施工活荷载总值按不同取值方法得到的数值之差从绝对值上看是很大的，为进一步分析该差值在整个设计荷载中的相对大小，进行以下探讨。

当施工荷载总值分别按混凝土整个浇筑区域及施工工作面计算时（只有1个施工作业组时），支架设计总荷载分别如式（7）及式（8）所示。

从而

假定

将式（10）和式（11）代入式（9），经整理可得

当有2个施工作业组时

取γG=1.35，γQ=1.40，则式（12）与式（13）的函数曲线见图2。

图2　ΔL/Lw与α的关系曲线

从图2中可以看出，对于每一条曲线，随着α的增大，曲线逐渐上升，当α增大到20时，曲线稍有回落然后继续上升。曲线的上升速率随着α的增大而逐渐减小，当β取8，9和10时，ΔL/Lw分别逼近于11%，10%和9%。此外，ΔL/Lw随着β值的增大而减小。

通常情况下，梁式支架的混凝土浇筑面积不会过小，因而可以认为α≥5，那么，当β取8，9和10时，ΔL平均值将分别达到设计荷载Lw的10.4%，9.4%和8.5%。这说明，施工活荷载按混凝土浇筑区域计算的总值与按施工工作面计算的总值的差值在整个支架设计荷载中占有不可忽视的比例。

通过施工活荷载绝对数值以及相对比例2个方面的分析可以看出，现有设计理论对施工活荷载的取值是非常保守的。

3　工程测试结果

3.1工程背景

为实测现有的设计理论对施工活荷载取值的保守程度，进行了实际工程测试。工程选取佛山西站K16简支梁，其结构为双箱单室后张法预应力箱梁，长度32 m，宽度为13.4 m，浇筑面积近430 m2。如图3所示，支架采用梁式结构：两桥墩间支墩为4排钢管桩，排间距9 m；每排钢管桩均由6根间距2.45 m的φ600 mm钢管组成，钢管桩顶设置2根I40a工字钢作为横梁；横梁上方为贝雷梁组成的纵梁；纵向贝雷梁上为I10a工字钢横向分配梁。施工期间由一台泵车向箱梁输送混凝土。

3.2现场实测结果

现场测试对象为图3（a）中第2排钢管桩，依次编号为1#至6#，见图3（b）。

测试采用DH3815N静态应变仪和3 mm胶基丝栅应变计。为减少钢管受弯对数据的影响，在每个钢管桩上对称布置2个应变计，取其平均值作为该钢管桩的应变。测试始于即将开始浇筑混凝土，止于混凝土浇筑完毕，期间每隔约1 h采一次样，同时记录采样时的混凝土浇筑量，测试期间无风。各钢管桩实测轴力见图4，各采样时间混凝土浇筑量见表3。

图3　支架结构示意

图4　各钢管桩实测轴力

表3　混凝土浇筑量

3.3实测数据分析

在图4中第0～8次采样过程中，随着浇筑过程的持续，各钢管桩轴力大致呈逐渐增大的趋势，而在第9次采样时，各钢管桩轴力下降，这可能是由于底层浇筑的混凝土初凝，箱梁自身承担一部分荷载所致。施工活荷载的计算依据第0～8次采样数据。

忽略桥墩承重作用，最终将实际支架系统进行杆系简化。结合表3中数据，按现行设计方法推算出施工过程中各采样时间混凝土自重与施工活荷载的规范组合值在钢管桩中的轴力效应。另外，为了解实际浇筑过程中施工活荷载的变化情况，又推算出了各采样时间混凝土自重标准值在钢管桩中的轴力效应。计算轴力效应时，施工人员和设备的荷载取1.0 kN/m2，而混凝土振捣荷载取2.0 kN/m2，各轴力效应及实测结果（1#～6#钢管桩实测轴力之和）见图5。

图5　钢管桩轴力实测值与理论值

图6　施工工作面取不同纵向长度时钢管桩轴力

从图5中可以看出：①对比实测值与规范组合值轴力效应曲线，实测值明显小于按设计方法计算的轴力，两者的差值实际上由施工活荷载加载面积与分项系数2个因素共同作用导致的。相应的数据计算表明，理论值平均超出实测值72.6%，最大达到84.3%，在第8次采样时达到75.5%，对应差值为1 778 kN。②对比实测值与混凝土自重轴力效应曲线，两者的差值基本上呈逐渐减小的趋势，即表明钢管桩所承受的施工活荷载随着浇筑过程是逐渐减小的。③虽然施工活荷载是逐渐减小的，但钢管桩总的轴力随着浇筑过程逐渐增大。

梁式支架的设计验算是依据最不利荷载工况进行的。钢管桩的轴力在浇筑后期即第8次采样时达到最大值，此时混凝土浇筑基本完毕，但依然有施工活荷载存在，该时刻对应设计验算时荷载的最不利工况。此时，按设计方法计算的混凝土自重与施工活荷载的组合产生的轴力超出实测结果近76%，超出数值达到1 778 kN，而这仅仅是对应一排钢管桩，如果考虑支架其他钢管桩，则超出数值将近5 000 kN。这说明，现有设计方法确实会导致设计荷载过于保守。

4　施工活荷载合理取值方法建议

梁式支架设计时，如果混凝土浇筑面积在200 m2以下，可以按通常的施工活荷载取值方法进行设计；而如果混凝土浇筑面积＞200 m2，建议对施工活荷取值方法进行相应的调整。

考虑到施工时人员设备以及振捣荷载只是在局部存在，因而设计时可以将施工活荷载只施加在钢管桩正上方一片矩形区域，该区域实际代表施工工作面。施工工作面的横桥向范围，建议与梁宽度相同，而纵桥向范围则根据施工工作组的人员数量、施工机具型号、数量等因素综合确定。

当施工工作面纵桥向范围L取不同数值时钢管桩的轴力见图6。可知，钢管桩的轴力随着浇筑过程均呈逐渐增大的趋势。虽然在浇筑前期钢管桩的轴力不同程度地小于实测值，但是在浇筑后期均不同程度地超过实测值，从而按照该取值建议进行梁式支架的设计验算是安全的。数据计算表明，当L取2，3和4 m时，在实测轴力达到最大值时，计算的钢管桩轴力分别超出实测值37.5%，41.0%和44.5%。当施工工作面纵桥向范围取2 m时，相比通常的设计方法，能够做到既经济又安全。这说明，按照建议的施工活荷载取值方法进行梁式支架设计是可行的。

5　结论

1）按现行梁式支架设计验算方法，采用规范推荐的施工活荷载进行设计验算，会造成施工活荷载考虑过于保守，尤其是当混凝土浇筑面积增大时。

2）对于梁式支架的钢管桩而言，施工活荷载在整个混凝土浇筑过程中并不是保持不变的，其随浇筑过程基本上呈逐渐减小的趋势。

3）梁式支架设计时，施工活荷载取值可以按施工工作面并依据最不利位置确定，兼顾安全性与经济性。

［1］张传敏，方东平，耿川东，等.钢筋混凝土结构施工活荷载现场调查与统计分析［J］.工程力学，2002，19（5）：62-66.

［2］赵挺生，李树逊，顾祥林.混凝土房屋建筑施工活荷载的实测统计［J］.施工技术，2005，34（7）：63-65.

［3］苗吉军，顾祥林，方晓铭.高层建筑混凝土结构施工活荷载的统计分析［J］.建筑结构，2002（3）：7-9.

［4］吕毅刚，张建仁，刘扬.混凝土斜拉桥悬浇施工期主梁活荷载调查与统计分析［J］.中外公路，2005，25（1）：38-42.

［5］中华人民共和国交通部.JTG/T F50—2011公路桥涵施工技术规范［S］.北京：人民交通出版社，2011.

［6］中华人民共和国铁道部.TB 10210—2001铁路混凝土与砌石工程施工规范［S］.北京：中国铁道出版社，2001.

［7］中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ 162—2008建筑施工模板安全技术规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，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

（责任审编赵其文）

2016-02-25；

2016-06-16

武道凯（1990—），男，助理工程师，硕士。