“脚手架”系列规范“荷载效应基本组合设计值”相关条文分析

2023-09-27徐宏广张丰毅

重庆建筑 2023年9期

徐宏广，张丰毅

（杭州建工集团有限责任公司，浙江杭州 310013）

0 引言

住房和城乡建设部办公厅2018 年5 月17 日发布了“住房城乡建设部办公厅关于实施《危险性较大的分部分项工程安全管理规定》有关问题的通知”（以下简称“31 号文”）。通知规定：“混凝土模板支撑工程：……或施工总荷载（荷载效应基本组合的设计值，以下简称设计值）10 kN/m2及以上，或集中线荷载（设计值）15 kN/m 及以上，……的混凝土模板支撑工程”，属于“危险性较大的分部分项工程”（以下简称“危大工程”）、“混凝土模板支撑工程：……或施工总荷载（设计值）15 kN/m2及以上，或集中线荷载（设计值）20 kN/m 及以上”，属于“超过一定规模的危险性较大的分部分项工程”（以下简称“超危大工程”）。

由于混凝土模板支撑工程涉及多本规范，而各规范对“荷载效应基本组合设计值”的规定有差异。为了正确执行“住房和城乡建设部令第37 号”（以下简称“37 号令”）、“31 号文”，方便工程中对混凝土模板支撑工程是否属于“（超）危大工程”进行判别，本文对比分析了各规范中关于“荷载效应基本组合设计值”的相关条文，并给出满足“混凝土模板支撑工程：……或施工总荷载（设计值）10 kN/m2（15 kN/m2）及以上，或集中线荷载（设计值）15 kN/m（20 kN/m）及以上”时，钢筋混凝土梁、板的截面尺寸表方便在工程中参考。

1 相关规范对“荷载效应基本组合设计值”的规定

《施工脚手架通用规范》GB 55023—2022[4]没有给出荷载效应基本组合设计值的计算式，据其“前言”的精神，“通规有规定执行通规，通规无规定执行相应配套的推荐性标准”，在根据荷载效应基本组合设计值的大小判别混凝土模板支撑工程是否属于“（超）危大工程”时，应根据具体的支撑形式并结合相应的标准进行计算、判别。

2 脚手架系列标准对“荷载效应基本组合设计值”的规定

《建筑施工脚手架安全技术统一标准》GB 51210—2016[5]关于支撑脚手架荷载效应基本组合设计值的计算除没有引入“可变荷载考虑设计使用年限的调整系数”外，完全沿用了文献[1]的规定。

随着文献[3]的发布并实施，文献[1]、[2]中关于荷载效应基本组合设计值计算的规定凡与文献[3]不一致之处均自动废止，并应按文献[3]执行。即应按文献[3]2.4.6 条第1 款计算式（1）计算。

《建筑结构可靠性设计统一标准》GB 50068—2001[6]作为文献[2]的前一版已被废止，由于不同标准发布实施年度不同，文献[6]的相关条文被部分脚手架标准所沿用。文献[6]7.0.2 条第1 款第1 项关于荷载效应基本组合设计值的规定与文献[1]3.2.3条的规定基本相同，不同之处在于文献[1]3.2.3 条引入了“可变荷载考虑设计使用年限的调整系数”。文献[1]、[6]关于荷载分项系数取值的规定相同。

文献[6]7.0.2 条第1 款第2 项规定，当荷载基本组合的效应值由永久荷载控制时，对于一般排架、框架结构，可将第1 款第1 项中由永久荷载控制的极限状态设计表达式简化为下式（2）。

金新阳[7]指出，文献[6]7.0.2 条第1 款第2 项简化式（2）“简化规则缺乏理论依据”，因此在文献[1]的修订中取消了简化式（2）。

据文献[3]、[4]的“前言”，文献[8]作为一本行业推荐性工程建设标准，当其中的规定与强制性工程建设规范规定不一致时，应以强制性工程建设规范规定为准。因此文献[8]中关于支撑脚手架的荷载效应基本组合设计值的表达式应修订为与文献[3]相一致。但其“前言”中也规定当行业推荐性工程建设标准的要求高于强制性工程建设规范规定时，可按行业推荐性工程建设标准执行。据此，文献[8]中关于支撑脚手架荷载效应基本组合设计值的表达式应该取文献[3]中式（1）还是应该取文献[6]中式（2），则需比较两式谁更偏于安全。

查文献[8]4.1.4 条，作用在支撑脚手架上的可变荷载包括施工荷载Q1、附加水平荷载Q2和风荷载Q3；查4.4.4 条，对支撑脚手架荷载效应组合宜按表1 采用。

表1 支撑脚手架荷载效应组合

按前述理解，作用在支撑脚手架上的荷载可分成两个，一为风荷载，另一为除风荷载外的其他可变荷载。

当支撑脚手架处于无风力作用的环境时，按无风组合进行计算，表1 中各项组合实质上只有一个可变荷载参与组合。按文献[6]中式（2）取，便有:

当支撑脚手架处于有风作用的环境时，按有风组合进行计算，表1 中各项组合包括风荷载和一个除风荷载外的其他可变荷载参与组合。按文献[6]中式（2）取φ=0.9，便有：

查文献[1]8.1.4 条取风荷载的组合系数φ=0.6，查5.5.3 条取施工荷载的组合系数φ=0.7。查文献[8]4.2.3 条第2 款取Q2=0.02Q1，其值较小，为简化计算，现不考虑Q2参与组合。

比较式（3）、（5）可知两者是等效的。

当采用有风组合时，式（1）简化为：

建筑工程施工时，由于施工楼层外围基本上会设置全封闭式作业脚手架，此作业脚手架常会兼做防护架，为了满足施工作业和临边防护的要求，作业脚手架的高度往往会高于支撑脚手架，大多数情况下，作用在支撑脚手架上的风荷载Q3相对于施工荷载Q1较小。故在承插型盘扣式支撑架的荷载效应基本组合计算时建议直接按文献[3]的规定执行。

《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术标准》JGJ 130—2011[9]、《建筑施工模板安全技术标准》JGJ 162—2008[10]对扣件式钢管支撑架荷载效应基本组合计算的相关条文参考了文献[6]，随着规范版本的更新，已不符合文献[3]、[4]在其“前言”中的规定，因此，建议扣件式钢管支撑架荷载效应基本组合的计算按文献[3]执行。

《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术标准》T/CECS 699—2020[11]对扣件式钢管支撑架荷载效应基本组合计算的相关条文参考了文献[2]，已经与文献[3]的相关条文吻合，因此，计算扣件式钢管支撑架荷载效应基本组合时可直接执行文献[11]的相关规定。

由上述分析可知，建筑施工模板、扣件式钢管支撑架、承插型盘扣式支撑架荷载效应基本组合的计算均可直接执行文献[3]的相关规定。

3 相关概念的理解

3.1 “混凝土模板支撑工程”的理解

“混凝土模板支撑工程”，从整体角度主要包括：混凝土施工活荷载、钢筋混凝土、模板、主次楞、支撑架体、架体底部垫块等。从施工过程角度，以模板上表面为分界面，混凝土施工活荷载及钢筋混凝土是形成施工活动最终产物混凝土结构必不可少的物质条件，模板、主次楞、支撑架、架体底部垫块等组成的支撑系统属于为实现这一最终产物而采取的措施，两者是目的与手段的关系。完成混凝土结构的施工是目的，混凝土构件下的支撑系统是手段。据此，可将“31 号文”中“混凝土模板支撑工程”理解为混凝土构件下的支撑系统，“施工总荷载（设计值）10 kN/m2（15 kN/m2）及以上，或集中线荷载（设计值）15 kN/m（20 kN/m）及以上”理解为混凝土施工活荷载及钢筋混凝土自重。

3.2 结构重要性系数与荷载组合效应设计值的理解

文献[1]3.2.2 条、3.2.3 条、文献[2]8.2.2 条、文献[3]2.4.6 条、文献[5]6.2 节、文献[8]4.4.3 条等诸条文均体现出荷载组合的效应设计值Sd是没有乘结构重要性系数的；文献[3]3.1.10 条第1 款规定“对于结构或结构构件……的承载能力极限状态设计，作用组合的效应设计值与结构重要性系数的乘积不应超过结构构件的抗力设计值，其中结构重要性系数应按本规范表3.1.12的规定取值。”同时在3.1.12 条规定了安全等级与重要性系数之间的对应关系。因此，应将“31 号文”中的“设计值”理解为Sd，而不是。

文献[2]8.2.4 条第1 款给出了作用基本组合效应设计值的计算式：

式（7）中的主要参数为“某某作用的标准值”；8.2.4 条第2款规定“当作用与作用效应按线性关系考虑时……”并给出了相应的计算式：

式（8）中的主要参数是“某某作用标准值的效应”。理解上述两条款的差异，需对下列相关概念有适当的了解。

1）作用与作用效应

作用是指施加在结构上的集中力或分布力和引起结构外加变形或约束变形的原因，前者为直接作用，也称为荷载，后者为间接作用[2]。自重、土压力、水压力、雪荷载、风荷载、温度变化、基础不均匀沉降、地震作用、撞击作用等均可理解为作用。

将各种作用进行力学模型简化，如简化成集中力、线分布力、面分布力、集中力偶等，这些简化后的力学模型我们习惯上统一称为“力”。当“力”作用在结构或结构构件上后，构件在作用下产生的相应变化称为“效应”，这些效应从外观角度分析便是位移、变形、裂缝、震动等，从受力角度分析便是弯矩、剪力、轴力等，进一步分析可理解为应力、应变等。

工程中，结构所处的环境一旦被确定，作用在结构上作用的大小便可根据工程设计经验或各种试验（或模拟）予以明确。作用的大小被量化后，结构的安全与否就由结构的材质、截面尺寸、几何形状、刚度、延性、外部约束条件等物理力学性能决定。结构构件的各项物理力学性能综合作用体现出来的外在表现便是“抗力”。当“作用效应≤抗力”时，便认为结构构件是安全的。考虑到作用、材料的物理力学性能等取值分析时样本空间的有限性、作用同时出现的可能性、结构构件的使用年限等诸多因素，相关规范便在计算式中乘了分项系数与组合系数。

在保障安全的同时兼顾经济性，相关规范综合考虑结构安全性要求、使用年限、社会影响等因素后给出了安全等级，进而根据安全等级给出了作用效应的调整系数即“重要性系数”。先利用对作用效应的大小进行调整，为了满足“作用效应≤抗力”这一关系式，对作用效应大小进行调整，其实质是对抗力大小进行调整，进而体现为对结构构件的材质、截面尺寸、几何形状、外部约束条件等的调整。这便是式所体现出的设计思路。

3）对“线性关系”的理解

文献[2]8.2.4 条第2 款使用的前提条件是“当作用与作用效应按线性关系考虑时”，这里“线性关系”在设计中常与“二阶效应”相对应。

例如建筑结构在整体分析时常简化为悬臂结构，如钢结构建筑由于其抗弯刚度较小，在风荷载作用下会沿水平方向产生弯曲变形。当建筑的竖向构件发生弯曲后，竖向构件自重对其产生的效应就不能再仅按轴心受压计算了，还应考虑自重在水平位移下产生的附加弯矩，这便是考虑作用的二阶效应。当结构的竖向构件抗弯刚度较大、在水平力作用时自重产生的附加弯矩值较小，忽略附加弯矩的影响仍在工程允许的误差范围内，可以分别计算竖向作用与水平作用产生的效应，再将两者进行叠加，这便是可以按线性关系考虑。

可见，按线性关系考虑是考虑二阶效应的一种特殊情况。文献[2]8.2.4 条第1 款式（7）是一个抽象函数，效应Sd是因变量，各种永久作用、预应力作用、各种可变作用是自变量。效应Sd是各种作用相互综合作用的结果，因此当不满足按线性关系考虑的条件时应按第1 款进行计算。

在工程允许的误差范围内，计算中可将作用在构件上产生的效应直接按线性关系处理，此时便可按文献[2]8.2.4 条第2 款先计算出每个作用对构件产生的效应，然后再将这些效应叠加起来，便得到了作用在构件上的总效应，用一句话描述便是“先各自计算效应再叠加”，即对应了第2 款中的“作用效应按线性考虑”的情况。

如在计算叠合楼板受力时，可将预制板自重、现浇层自重、楼面活荷载等面分布荷载先进行“力”的基本组合设计值计算，再利用力学模型算出楼板在“力”作用下产生的总效应值，如弯矩设计值、剪力设计值等，用一句话描述便是“先叠加荷载再计算总效应”，即对应了第2 款中的“作用按线性考虑”的情况。

可见，“先叠加荷载再计算总效应”是“先各自计算效应再叠加”的特殊情况。至于工程中能不能“先叠加荷载再计算总效应”应根据具体情况进行判别，当判别有困难时建议采用“先各自计算效应再叠加”的思路，避免出现错误。

关于二阶效应在工程中的应用可参考《钢结构设计标准》GB 50017—2017[12]5.1 节、《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3—2010[13]5.4 节等资料。

4 达到“（超）危大工程”时，混凝土梁、板截面尺寸临界值

按“37 号令”第一章第三条，“危大工程”是指“在施工过程中，容易导致人员群死群伤或者造成重大经济损失的分部分项工程” 。据此，在对“危大工程”进行计算分析时，可将“危大工程”的安全等级定为Ⅱ级，“超危大工程”的安全等级定为Ⅰ级。

文献[5]3.2.1 条、文献[8]3.0.4 条、文献[11]5.1.4 条也对混凝土模板支撑工程的安全等级作了相应的规定：搭设高度≤8m、荷载设计值≤“15 kN/m2（20 kN/m）”两者同时满足时安全等级为Ⅱ级，否则为Ⅰ级。同时，文献[5]3.2.3 条、文献[8]3.5.5 条、文献[11]5.1.5 条规定：安全等级Ⅰ级时取，安全等级Ⅱ级时取。

为方便工程中对“（超）危大工程”进行初判，现将计算式及计算参数列表如下表2，混凝土梁、板截面尺寸临界值列表如下表3—表5。