施工期钢筋混凝土结构人为错误影响分析

建筑结构的施工过程是人一机交互作用的过程, 不能把人自身独立于整个系统之外, 应把人的因素 (Human Factors) 也作为系统的一部分处理。人的因素随时存在且难以控制, 特别是建筑施工过程人员具有较大的流动性, 并且一般都是露天工作, 所以人为错误就更难以避免。众多的建筑事故的调查结果表明, 大多数事故是由人为错误引起的。人为错误的发生是由于人自身行为特点所决定的, 其难以预测, 且后果具有很大的差异。仅一个错误可能不能导致灾难性的后果, 但是多个错误同时发生或相继发生, 就能够带来严重的后果。

虽然施工过程中人为错误不能避免, 但是可以通过认识人为错误及其影响内在规律来减少人为错误发生概率, 提高施工期建筑结构的安全性。本文分析人为错误影响下施工期钢筋混凝土结构的可靠性, 并且确定多层建筑结构模板支撑体系施工过程中的检查重点。

1 人为错误可靠性分析

1.1 无人为错误影响的参数

施工过程中人为错误是指所有不满足有关规范、规程与规定要求的行为和结果。无人为错误影响时, 结构构件的实际尺寸与设计要求偏差的主要原因是测量、加工误差以及浇注混凝土后导致模板变形等。无人为错误影响的构件尺寸服从正态分布, 其偏差应在有关施工规范要求的范围内。本文取国内有关调查统计参数作为无人为错误影响时构件尺寸分布参数 (见表1) , 并作了与规范允许偏差相对应的截尾处理, 有关参数的施工偏差如表2所示。

无人为错误的混凝土强度服从正态分布, 取混凝土的施工配制强度作为无人为错误影响的强度均值, 混凝土配制强度fcu.0表示为:

式中, fcu.k为设计的混凝土强度标准值, 为混凝土强度标准差。标准差的取值应以施工企业近期统计值为依据。据有关统计资料反映, 当前我国施工单位实际平均水平的标准差, 如表2所示。

无人为错误模板支撑体系的搭设按规范要求设置剪刀撑、扫地杆, 所有部位的扣件拧紧扭力矩均达到4N·m。

1.2 施工中存在的人为错误

由于施工过程和作业环境的复杂性, 建筑施工过程中存在大量的人为错误。本文中主要考虑以下施工中常见的人为错误:

(1) 混凝土强度不足。

(2) 漏放或少放钢筋。

(3) 多放钢筋。

(4) 过早拆模。

(5) 支撑不设置扫地杆。

(6) 支撑不设置剪刀撑。

(7) 模板底部水平杆与立杆的扣件拧紧力矩不足。

(8) 支撑的纵、横向水平杆与立杆的扣件拧紧力矩不足。

发生上述错误的原因是由于施工技术人员计算错误、技术人员与施工操作人员之间信息传递错误和施工人员操作马虎等因素造成的。

1.3 人为错误率与人为错误影响程度及其分布

1.3.1 人为错误率

某项任务人为错误出现的可能性可以由人为错误率PE表示:

式中, NE为该任务出现错误操作的次数, N为执行该项任务的总次数。由于不同操作者在执行同一任务时的错误率不同, 且即使相同一操作者执行某特定任务时的错误率也不是常数, 因此人为错误率应视为服从某一概率分布的随机变量。

由于对数正态分布被广泛应用于人的可靠性分析中对人为错误率的描述, 故本文采用对数正态分布描述人为错误率的分布模型, 其分布参数反映了由于不同能力、个性、工作环境以及影响任务完成的其它造成错误发生的随机性, EF的表达式为:

式中, Pr (F902) 和Pr (F102) 分别对应于90%和10%的错误率分布值。则人为错误率对数分布的标准偏差σ为:

1.3.2 人为错误影响程度

一旦发生错误, 将人为错误造成的参数偏离设计要求的相对值表示为人为错误影响程度mE。mE由下式表示:

式中, xE和xm分别为无人为错误和有人为错误发生时参数值。由于人为错误发生机制的复杂性和不确定性, 人为错误程度也是服从某一概率分布的随机变量。对于人为错误影响程度随机变量的描述目前尚无比较有代表性的模型。本文采用对数正态分布描述人为错误影响程度的分布模型, 其平均估计值λBE和最大估计值λUB分别为对数正态分布的中值和对应于90%的分布值。λBE和λUB均通过调查数据获取, 其中λBE为所有被调查者经历过的人为错误平均程度的统计平均值, λUB为所有被调查者经历过的人为错误最大程度的统计平均值。对数正态分布的标准偏差σme表示为:

1.3.3 建筑结构施工中的人为错误率和人为错误影响程度分布

建筑结构施工过程中的错误包括混凝土结构构件施工中发生的错误和模板支撑体系的搭设中发生的错误。假设现行混凝土结构规范中混凝土构件截面高度、厚度和有效高度的统计分布包含了人为错误的影响, 因此将其直接用于人的可靠度分析中, 不对其进行截尾处理。而放置钢筋、混凝土浇筑强度、拆模操作中人为错误的发生率和影响程度均来自相关文献, 如表3所示。笔者对搭设模板支撑体系过程中人为错误进行现场调查, 发现经常发生的错误有:不设置剪刀撑、不设置扫地杆、扣件的拧紧力矩不足等。

1.4 施工中人为错误的模拟

针对目前在施工现场取得有关人为错误数据比较困难的情况, 只能通过对施工中人为错误进行模拟得到人为错误发生及其对结构主要参数影响的定量数据, 为考虑施工过程中人为错误的结构可靠性分析提供依据。本文采用人的可靠性分析 (Human Reliability Analysis HRA) 方法模拟人为错误, 建立人为错误发生与影响模型。HRA方法用事件树 (event tree) 方法进行逻辑描述, 并结合蒙特卡罗数值模拟技术分析事件树。

利用事件树描述整个施工过程, 首先将建筑施工过程分解为依次发生的多个任务, 然后将每个任务及其结果表示为事件树的节点和分枝。所有任务均有可能出现两种结果, 即操作成功 (错误) 和操作不成功 (出现错误) 。应该注意的是如果一个错误发生, 则可能引发多个错误后果 (即事件树的分枝) 。因此事件树具有多个分枝, 即多条可能的路径, 得到多个不同的最终结果。最后结合蒙特卡罗数值模拟技术分析事件树。换言之, 若将从事件树的开始执行直到结束运行一遍称为一次试验, 则经过多次试验, 经历事件树上所有可能路径, 以考虑所有人为错误组合, 从而计算施工期结构的可靠度。

2 人为错误影响下施工期结构系统可靠性分析

本研究实证对象是一个层高3m的结构, 不需要考虑模板支撑体系施工过程中立杆接长、立杆垂直度等人为错误, 仅考虑上节讨论的不设置剪刀撑、不设置扫地杆和扣件螺栓拧紧扭力矩等人为错误。为了研究人为错误的影响, 分别计算有人为错误和无人为错误情况下三种支撑方案 (3层模板支撑3S, 2层模板支撑2S, 2层模板支撑1层二次支撑2S1R) 的系统失效概率, 结果如表4所示。

由表4可知, 施工中人为错误对模板支撑体系和混凝土结构的可靠性影响十分显著。由于在实际施工过程中, 有检查验收环节, 因此表4中有人为错误影响下结构的失效概率比工程实际的失效概率偏大。经过检查人员的检查, 偏离正常值较大的人为错误将被查出并予以纠正, 则结构的失效概率将得到大幅度降低。人为错误影响下模板支撑体系出现极少量的失稳破坏, 绝大数破坏是由扣件抗滑破坏导致的;而混凝土板的破坏主要是弯曲破坏。

3 结语

本文研究了结构施工过程中影响混凝土结构和模板支撑体系参数实现的人为错误的发生及其对结构参数影响的数值模拟。在有关人为错误数据严重不足的情况下, 数值模拟可成为补充数据的一个重要手段。通过对算例的可靠度分析表明, 人为错误对施工期结构可靠性的影响很显著必须采用有效的检查措施控制和减少施工过程中人为错误的发生率。对多层建筑结构模板支撑体系而言, 严格控制连接模板底部水平杆和立杆的扣件拧紧扭力矩是相当重要的。

注:FE表示无人为错误, E表示有人为错误。

摘要：分析了钢筋混凝土结构施工期中人为错误发生的规律, 采用HRA方法模拟了施工期混凝土结构和模板支撑体系人为错误发生及其对结构参数的影响, 提出了人为错误影响下施工期钢筋混凝土可靠度分析模型, 对比了无人为错误和有人为错误影响下施工期结构体系可靠性, 井为施工质量检查和质量控制提供了科学依据。

关键词：钢筋混凝土结构,施工期,模板支撑,体系可靠度,人为错误

参考文献

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