浅谈结构在施工期的可靠性

刘亚平
摘要：自20世纪20年代以来，工程结构可靠性理论和应用的研究已取得了重大进展。本文根据文献，介绍了结构及钢筋混凝土结构在施工期可靠度研究和应用的发展。
关键词：工程结构；可靠性；施工；研究现状
一个结构从施工建造到投入使用，再到使用若干年后，性能逐渐退化，进入老化期，经历了一个类似人的生命历程，那就是幼年期、中年期和老年期。在施工建造期，失效的风险率大；到使用期，失效风险率降低；到老化期，失效风险率又逐渐提高，如果经过维修、加固等措施，失效风险率又会有所下降。
1 施工期可靠度
结构施工是将结构的设计方案由图纸实现为真实结构的过程。施工阶段因结构的不完整性，所受荷载的复杂性以及抗力的不成熟性，结构的平均风险率最大，失效概论最大。如2010年某大学教学楼施工期间模板支撑整体倒塌而造成巨大经济损失。据对全国近十年357起倒塌事故统计分析表明，有78%的事故发生在施工阶段。研究结构施工期可靠度，建立以结构施工期可靠度理论为基础的结构施工规范和管理制度，不仅对控制结构施工期的安全性，而且对包含结构使用期和老化期在内的结构生命全过程的安全性都有重要意义。
1.1 施工期的抗力分析及影响因素
结构从开始建造到投入使用的施工过程是随时间的增加而逐步“生长”的过程，在整个施工过程中，任一时刻结构的形状，材料性能以及承受的施工荷载均随时间的变化而变化。因此，其抗力是一个随时间变化的随机过程，与混凝土强度和弹性模量随时间的变化有关。对于现浇钢筋混凝土结构，除了设计缺陷外，混凝土强度不足是影响现浇钢筋混凝土结构质量的主要因素：一方面是因为混凝土材料本身质量低下，一方面是因为拆模时间过早，混凝土构件还没达到足够强度。现行《混凝土结构工程施工质量验收规范》规定任一龄期混凝土的强度可通过对28天混凝土强度乘以一个与混凝土龄期、温度和水泥品种有关的修正系数来估计。过早的拆模会使构件小于设计抗力的情况下承受荷载，从而可能导致施工期结构质量事故的发生。
1.2 施工期内建筑结构荷载分析
同结构使用期一样，按时间考虑，可以将钢筋混凝土结构施工期的荷载分为永久荷载、可变荷载和偶然荷载。施工期永久荷载主要包括新浇筑混凝土自重，钢筋自重，模板及其支架的自重。施工期可变荷载包括施工人员重量，施工设备重量及可能产生的动荷载，材料堆积产生的荷载，浇筑混凝土时的冲击荷载，捣实混凝土时的振动荷载以及风荷载等。施工期偶然荷载包括地震和飓风等。此外，由于施工材料堆积及混凝土非对称浇筑等原因产生的特殊的施工荷载也会导致超载，从而引发构件的开裂及过度变形等质量事故。由于迄今对楼屋面的施工荷载没有明确的规定，因此施工阶段由于荷载失控导致的质量事故时有发生。
总而言之，目前为数很少的荷载统计资料尚不足以用来分析施工期内建筑结构的可靠度，统计资料的缺乏已成为施工期内建筑结构安全性分析的“瓶颈”。因此，在国内广泛开展施工期内建筑结构荷载的调查统计分析是非常必要的。
1.3 施工期结构分析
结构分析是将结构上的荷载转化为结构构件内力或变形的过程。施工期的结构分析与使用期有所不同。首先，结构从开始建造到投入使用是一个成长的过程，任一时刻结构的形状、施工材料的性质以及所承受的荷载均随时间的变化而连续变化；其次，施工期任一时刻的结构都是由已建成的部分结构构件（墙，板，柱等）和临时支撑体系（模板，支持等）组成的临时承载体系，分析不仅要包括结构本身的构件，还包括临时支撑体系。如在高层现浇钢筋混凝土板柱体系结构施工当中，新浇筑的楼板加载于支撑，支撑又依次在其下一层或数层已浇筑好的楼板上，以分担上层荷载。此时由板，柱和模板，支撑所组成的临时承载体系与施工中支模方案有关。早期的施工期结构分析方法侧重于简单的手算方法，以后的分析则侧重于各种精化和改进的方法，并利用计算机开发相应程序，编制相关软件进一步做了精化分析。
1.4 在建结构可靠度分析及控制
钢筋混凝土结构的施工建造，是结构逐层不断“成长”的过程，每一层的施工包括支模、浇筑、养护和拆模四个步骤。施工期可靠度分析，就是按照这四个步骤，根据抗力与龄期的关系及施工期的荷载、结构分析，建立极限状态方程而进行的。通过可靠度分析可以找出施工中安全控制的重要环节。施工期结构的可靠度分析，还应包括临时支撑体系，但比较复杂。在结构施工的初期，要尽量把由于施工工艺不当等因素所产生的缺陷找出来，并找出导致缺陷的原因，提出改进措施，重新安排施工工艺，消除造成缺陷的因素，为结构安全施工提供依据。由于材料材质的差别，施工工艺条件，施工人员工程素质等诸多因素的影响，还要出现有缺陷的构件，这就要靠施工检验等措施来排除构件的缺陷。
对于处于在建阶段的构件和材料的质量控制，其质量特征的有关参数是随时间变化的随机变量。具有部分强度的混凝土结构和模板及其支架，共同组成了施工期临时承载体系，结构的施工按照由支模，浇筑混凝土，养护混凝土及拆模等在建阶段组成的施工周期循环进行。这些在建阶段的交替，须基于一定的结构构件抗力水平，此抗力水平可通过相应施工阶段结构构件和材料的质量控制来保证。
施工期结构构件的质量水平可以以施工期目标可靠性指标β来衡量，，施工期内t时刻材料性能的实际质量水平可用其统计特征值来表示。为了控制施工期材料性能的质量，须建立β与之间的关系，以明确提出施工对时刻材料性能的质量要求，文献建立了对施工期结构构件材料性能进行质量控制的“动态质量方程式”的通式。它表达式：

其中，分别表示第i施工阶段时（相应时刻t）,材料试件性能的平均值，标准差，标准值。
目前，结构施工期可靠度的研究相对滞后，可供施工参考的成果不多，需加强研究。
2结语
工程结构可靠度作为一种处理和分析工程结构中随机性的理论和方法，正处在这样不断发展的过程之中，除了在理论上尚需提出新的问题并不断深入研究外，在规范应用中，还需根据工程结构的特点，并考虑以往的工程设计、使用经验对可靠性设计方法加以论证，逐步改进其中的不完善之处。

参考文献：
[1]赵国藩.工程结构可靠性理论与应用[M] .大连.大连理工大学出版社. 1996
[2]巴松涛. 钢筋混凝土结构施工期可靠性分析方法[J].大连理工大学学报. 2000
[3]巴松涛. 在建钢筋混凝土结构质量的可靠性控制[J].河南大学学报.2005.35(4)

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