影響支撐軸力測試的混凝土特性

楊震偉,駱介華,魏云峰,陳玄斌,戴 民

(1.杭州市鐵路投資有限公司,浙江 杭州 310021;2.中國水電顧問集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院,浙江 杭州 310014)

當(dāng)前城市用地日趨緊缺,城市開發(fā)向地下空間發(fā)展。地下空間的開發(fā),大多采用明挖基坑工法進(jìn)行施工,由于明挖基坑工程為高風(fēng)險項目,常采用現(xiàn)場監(jiān)測手段進(jìn)行風(fēng)險控制。內(nèi)支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)的支撐體系受力需重點監(jiān)控,支撐軸力測試對于基坑順利完工意義非常重大。由于混凝土非線性特性,支撐軸力測試值往往出現(xiàn)偏大的現(xiàn)象。本文利用振弦式鋼筋應(yīng)力計的工作原理,結(jié)合基坑監(jiān)測的實測數(shù)據(jù),說明由于混凝土非荷載方面的特性包括混凝土徐變、收縮和溫度上升引起的自身膨脹,導(dǎo)致支撐軸力計算數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏大的情況。

1 支撐軸力測試原理

對于混凝土支撐常采用鋼筋應(yīng)力計測試軸力,可預(yù)先在支撐的鋼筋籠上、下位置分別埋設(shè)1支鋼筋計,與支撐主筋綁扎或焊接在一起。通過共同作用、變形協(xié)調(diào)條件計算混凝土支撐軸力。

當(dāng)鋼筋應(yīng)力計受力時,引起彈性鋼弦的張拉變化,改變鋼弦的振動頻率,通過頻率儀測得鋼弦的頻率變化,即可算出鋼筋應(yīng)力計的應(yīng)力值,換算而得混凝土支撐軸力。鋼筋受力計算式:

式中:P1為鋼筋計受力,kN;K1為鋼筋計靈敏度系數(shù),kN/Hz2;f0為鋼筋計的初始頻率,Hz;f1為鋼筋計受力后的頻率,Hz。

混凝土支撐軸力可按下式計算:

式中:N為支撐軸力,kN;fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計值,N/mm2;Pg為上下2個鋼筋計的應(yīng)力平均值,即(P1+P2)/2,N;Ag為鋼筋計截面面積,mm2;Eg為鋼筋彈性模量,N/mm2;ε0為與應(yīng)力峰值相應(yīng)的混凝土應(yīng)變,通常取ε0=0.002;As為縱向主筋截面面積,mm2;Ac為支撐截面面積,mm2。

2 影響支撐軸力的混凝土特性

混凝土支撐受力以受壓為主,在采用鋼筋計實測值計算支撐軸力過程中,支撐軸力普遍出現(xiàn)偏大的現(xiàn)象,主要是由于埋設(shè)于鋼筋混凝土中的鋼筋應(yīng)力并不完全由荷載產(chǎn)生,還有一部分由非荷載因素次生。非荷載因素,主要有混凝土的徐變、收縮和溫度變化。

2.1 混凝土徐變的影響

徐變與外力荷載及時間均有關(guān)系。在長期荷載作用下,混凝土內(nèi)水泥膠體微孔隙中的游離水將從毛細(xì)管里擠出并蒸發(fā),導(dǎo)致膠體體積縮小,形成徐變過程?；炷恋男熳兇笮?取決于荷載、混凝土齡期、養(yǎng)護(hù)環(huán)境、混凝土配合比、構(gòu)件厚度以及時間長短等因素[1]。

混凝土澆注后發(fā)生徐變,隨著齡期的增長而逐漸增大,直至趨于穩(wěn)定。混凝土的徐變不單與荷載、時間及外部環(huán)境等因素有關(guān),還與歷史應(yīng)力、加載齡期密切相關(guān)[2-3];徐變的發(fā)生會增大混凝土結(jié)構(gòu)的變形。對于鋼筋,雖然也會發(fā)生徐變,但是鋼筋的徐變只與當(dāng)前應(yīng)力相關(guān),與歷史應(yīng)力無關(guān)。鋼筋徐變的速率遠(yuǎn)沒有初期的混凝土徐變速率大,混凝土軸向變形速率要大于鋼筋的軸向變形速率,必然引起兩者之間的附加內(nèi)力,使得實測值比實際值大很多。

2.2 混凝土收縮的影響

混凝土收縮是混凝土內(nèi)部水泥凝膠體游離水蒸發(fā),體積縮小的一種物理化學(xué)現(xiàn)象?；炷潦湛s與環(huán)境的空氣濕度、混凝土齡期、構(gòu)件厚度、水灰比及環(huán)境溫度等因素有關(guān)。

收縮影響與徐變影響相似,混凝土在收縮時會產(chǎn)生收縮變形,而混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋不會收縮,考慮到變形協(xié)調(diào),鋼筋會阻礙混凝土收縮變形,在阻礙過程中,鋼筋發(fā)生變形,產(chǎn)生附加壓應(yīng)力?；炷林伍_始受荷進(jìn)入工作狀態(tài),混凝土體積收縮。隨著時間增長,混凝土收縮產(chǎn)生持續(xù)增大的軸向收縮變形,致使鋼筋的附加壓應(yīng)力隨著時間的增長而持續(xù)增大,從而導(dǎo)致通過鋼筋計頻率計算出來的支撐軸力偏大。

2.3 溫度的影響

混凝土支撐受日光照射后,產(chǎn)生較高的溫度。溫度使混凝土支撐產(chǎn)生熱脹冷縮效應(yīng),引起軸向伸縮,由于支撐受到圍護(hù)結(jié)構(gòu)的約束,支撐的伸縮即產(chǎn)生的力。此外,混凝土支撐受日光照射往往不均勻,產(chǎn)生不均勻的溫度,呈梯度分布,溫度在擴(kuò)散傳遞過程中產(chǎn)生溫度次生力,進(jìn)一步使支撐軸力的變化變得復(fù)雜。

3 工程實例分析

圖1 支撐配筋及鋼筋計布置圖

杭州某加壓泵站基坑位于西湖區(qū)轉(zhuǎn)塘鎮(zhèn)龍心村、龍王沙村境內(nèi),緊鄰錢塘江引水入城工程沉沙調(diào)節(jié)池北側(cè)和錢塘江堤,距珊瑚沙水庫上游約1 km,作為閑林水庫向珊瑚沙水庫供水的加壓泵站。泵站基坑尺寸為42 m×31 m(長×寬),基坑周長約150 m。泵站基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。基坑挖深11.6m,基坑側(cè)壁安全等級為一級。支撐配筋及鋼筋計布置見圖1,基坑支撐軸力平面布置見圖2。

圖2 基坑支撐軸力平面布置示意圖

基坑混凝土支撐采用C25級混凝土,fc=11.9 N/mm2。支撐均采用普通鋼筋,Eg=2.0×105N/mm2。鋼筋計直徑為φ 16 mm。支撐截面配筋及各鋼筋計靈敏系數(shù)見表1。

表1 支撐截面配筋及各鋼筋計靈敏系數(shù)表

基坑第2道支撐于5月13日澆筑完成,5月22日測試初值,5月30日在開挖前測試。5月13—30日上午,基坑未明顯施工,周邊無影響,且數(shù)據(jù)均為早晨升溫前測試,溫差在1℃左右,故可基本排除基坑內(nèi)外施工和溫度的影響。根據(jù)表1反映,軸力變化最大為726 kN,引起測值變化的主要原因是混凝土養(yǎng)護(hù)期間產(chǎn)生徐變與收縮的影響。5月30日軸力測試值見表2。

表2 5月30日軸力測試值表

5月7日天氣晴朗,氣溫17～30℃,早晨和傍晚基坑第1道支撐的2次計算值見表3。這段時間,正處于第2道支撐鋼筋綁扎施工期,基坑周邊環(huán)境亦無明顯施工,故可認(rèn)為支撐上無新增荷載。根據(jù)實測數(shù)據(jù),當(dāng)天軸力變化達(dá)580 kN,引起測值變化的主要原因是溫度。

表3 5月7日軸力測值表 kN

4 結(jié) 語

混凝土支撐軸力測試是內(nèi)支撐基坑監(jiān)測極受關(guān)注的監(jiān)測項目。做好基坑混凝土支撐軸力監(jiān)測工作,對于工程的安全實施極為重要。支撐軸力監(jiān)測需結(jié)合混凝土非線性特性、施工工況進(jìn)行綜合分析。認(rèn)清混凝土徐變、收縮和溫度特性,有利于正確判斷軸力監(jiān)測數(shù)據(jù)。在現(xiàn)場支撐軸力測試過程中,需仔細(xì)分析混凝土非線性帶來的影響,結(jié)合施工工況,水平位移速率情況,才能正確判斷基坑支撐體系工作性狀;支撐軸力初值取用基坑開挖前1～2 d的測值,以減小混凝土初期收縮帶來的影響;高溫時段,軸力測試以每天清晨較為適宜,減小溫差帶來的影響。

[1]葉萬靈.圍護(hù)結(jié)構(gòu)中鋼筋混凝土支撐軸力和變形的研究[J].土木工程學(xué)報,2000(10):530-532.

[2]馮圣清,崗鎮(zhèn)輝.楊浦大橋主塔工程混凝土收縮徐變控制技術(shù)研究 [J].混凝土與水泥制品,1994(04):316-319.

[3]祝昌暾,陳敏,楊楊,等.高強(qiáng)混凝土的收縮和早期徐變特性[J].混凝土與水泥制品,2005(02):257-259.