支護結構混凝土支撐軸力受力組成分析研究

張開偉，郝佳福，陳宏

(河北建設勘察研究院有限公司，河北 石家莊 050031)

支護結構混凝土支撐軸力受力組成分析研究

張開偉*，郝佳福，陳宏

(河北建設勘察研究院有限公司，河北 石家莊 050031)

圍護結構基坑監(jiān)測中的混凝土支撐軸力實際大小構成受到混凝土支撐構件本身彎壓受力和混凝土支撐非荷載因素的影響，如果僅僅用去掉某個參數或假定某個參數不變來簡化計算和分析，會使現場監(jiān)測得到的支撐軸力與實際基坑開挖引起的支撐軸力產生較大誤差。因此通過實際模型監(jiān)測數據計算及綜合因素的分析可以知道混凝土支撐構件本身彎壓受力和混凝土支撐非荷載因素影響的大小，可以計算出圍護結構支撐軸力實際受力值在現場監(jiān)測得到的支撐軸力值中的占比范圍，為后續(xù)動態(tài)施工和設計調整提供科學數據支持。

混凝土支撐軸力；試驗模型；非受力荷載因素；支撐構件彎壓受力

1 背 景

在采用鋼筋混凝土支撐支護的基坑工程中，支撐軸力監(jiān)測數據是設計、監(jiān)理和施工單位共同關心的內容。通常鋼筋混凝土支撐受力以受壓為主，對混凝土材料來說，支撐受力存在體積收縮、徐變、溫度等因素的影響。實際工作中對于支撐軸力的測量，常常是直接用測得的應變值結合擬合得到的固定混凝土彈性模量進行計算得到監(jiān)測值，這樣得到的監(jiān)測值往往偏大，甚至還出現支撐體系依然處于正常工作狀態(tài)，而測試的軸力超出設計值的幾倍的現象，更有超出了混凝土材料強度的情況發(fā)生。這就給實際從事監(jiān)測工作的技術人員帶來很大的困惑，作者結合實際項目通過試驗監(jiān)測模型對影響支撐軸力的因素進行探討來分析，了解影響支撐軸力的組成和影響因素的大小。

2 軸力監(jiān)測方法研究分析

分析傳統(tǒng)的混凝土支撐軸力監(jiān)測方法可知，傳統(tǒng)的混凝土支撐軸力監(jiān)測計算方法主要以圖1所示為主。

圖1 傳統(tǒng)的混凝土支撐軸力計算構成圖

從圖1中可以看出，傳統(tǒng)的混凝土支撐軸力計算中對非荷載因素和支撐構件本身彎壓受力狀態(tài)影響因素沒有進行考慮，這一部分對實際監(jiān)測數據的影響貢獻有多大沒有一個明確的數據支持，可見分析出影響支撐軸力的組成占比就是解決以上問題的關鍵。

3 監(jiān)測試驗模型建立

傳統(tǒng)的混凝土支撐軸力監(jiān)測方法缺少非受力荷載因素和支撐構件本身彎壓受力狀態(tài)這兩種影響因素。針對這兩種混凝土支撐軸力的影響因素設計建立以下監(jiān)測模型：

(1)不同支撐構件本身彎壓受力狀態(tài)實物模型

鋼箱梁支撐內部及混凝土支撐內部都埋設有混凝土支撐軸力計，具體實物模型狀態(tài)如圖2所示。

圖2 不同支撐構件本身彎壓受力狀態(tài)實物模型圖

(2)傳感器安放位置對測試結果影響分析及混凝土支撐非荷載因素分析模型

同一監(jiān)測斷面跟隨支撐鋼筋主筋每個斷面布設8只混凝土支撐軸力計，埋設位置如圖3所示。

圖3 傳感器安放位置對測試結果影響分析及混凝土支撐非荷載因素分析模型圖

4 監(jiān)測模型數據分析

4.1 混凝土支撐構件本身彎壓受力狀態(tài)分析

(1)不同材質支撐本身彎壓受力監(jiān)測變化圖，如圖4所示。

從圖4的實際監(jiān)測到的支撐軸力的監(jiān)測圖可以看出，鋼箱梁支撐和混凝土支撐的軸力監(jiān)測變化形態(tài)大致相同，但監(jiān)測軸力的大小差異很大，差值接近48.3%，鋼支撐不受混凝土收縮、徐變和彈性模量非線性的影響，其軸力監(jiān)測值中只有和混凝土支撐存在共同影響的溫度因素。因此可以看出，該模型監(jiān)測到的混凝土支撐軸力的大小去除溫度影響后，其大小實際比監(jiān)測到的混凝土支撐軸力的51.7%還要小，可見支撐采用的材質不同對實際監(jiān)測軸力的大小影響是很大的。

圖4 不同材質支撐本身彎壓受力支撐軸力監(jiān)測變化圖

(2)傳感器安放位置對測試結果影響分析

從圖5的實際監(jiān)測到的支撐軸力的監(jiān)測圖可以看出，混凝土支撐的軸力布點位置不同其監(jiān)測軸力大小也有所不同，從計算監(jiān)測數據結果來看，其上下部的傳感器監(jiān)測到的軸力要大于中間傳感器監(jiān)測到的軸力，這主要受到角點溫度補償的影響出現差異，這種差異從實際監(jiān)測結果來看極差占比約為19.3%。所以實際監(jiān)測工作中對于一個監(jiān)測斷面不能僅從某個傳感器入手來確定斷面監(jiān)測軸力，應該綜合角點溫度補償進行確定軸力大小，這就給傳感器埋設、安裝及保護提出很高的要求。

圖5 傳感器安放位置對測試結果影響分析

(3)混凝土支撐自身彎壓受力的影響分析

我們在實際施工工程中，對監(jiān)測模型中鋼箱梁支撐進行了截斷處理，鋼箱梁支撐截斷之前的混凝土支撐軸力監(jiān)測值 5 827 kN，截斷之后混凝土支撐軸力的測算值仍然有 3 403 kN，顯然，這部分軸力全是非荷載因素引起的，其占截斷前軸力測算值的58.4%，這一數據進一步說明了非荷載因素的影響之大。

4.2 混凝土支撐非受力荷載因素分析

(1)混凝土收縮影響分析

鋼筋混凝土支撐在澆筑后，混凝土一直發(fā)生體積的收縮，混凝土在收縮時會產生收縮變形，而鋼筋混凝土結構中的鋼筋不會收縮，考慮到變形協調，鋼筋會在阻礙混凝土收縮變形，在阻礙過程中鋼筋就會發(fā)生變形，產生附加的壓應力。隨著時間的增大混凝土收縮會產生持續(xù)增大的收縮變形，鋼筋的附加壓應力會隨著時間的增大而持續(xù)增大，導致通過監(jiān)測到的混凝土支撐軸力偏大。實際通過對模型支撐的長期監(jiān)測通過統(tǒng)計計算得到：如果支撐澆筑時間約為1年左右，則收縮應變約為 100 με，對應的監(jiān)測軸力約為 1 147 kN，占混凝土支撐軸力非荷載因素引起變化的33.7%。

(2)溫度影響分析

監(jiān)測過程中發(fā)現，支撐軸力計頻率隨著溫度的升高會減小，計算得到的混凝土支撐軸力隨著溫度的升高而增大。這主要是由于鋼筋的熱膨脹系數與混凝土的膨脹系數存在一定差異，溫度的變化就會產生溫度應力。這種應力差異通過實際監(jiān)測和計算得到：四個角點平均溫度補償系數采用 8.0 με/℃，溫差為5℃，那么溫度應變?yōu)?40 με，對應的混凝土支撐軸力約為 459 kN，占混凝土支撐軸力非荷載因素引起變化的13.5%。

(3)混凝土徐變影響分析

混凝土內水泥膠體微孔隙中的游離水將從毛細管里擠出并蒸發(fā)，導致膠體體積縮小，形成徐變過程?；炷恋男熳儾粏闻c荷載、時間以及外部環(huán)境等因素相關，還與歷史應力、加載齡期存在密切關系，徐變的發(fā)生會增大混凝土結構的變形。但是對于鋼筋而言，鋼筋雖然也會發(fā)生徐變，但是鋼筋的徐變只與當前應力相關，與歷史應力無關。鋼筋徐變的速率遠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，這就引起混凝土與鋼筋之間的附加內力，這就使的實際監(jiān)測到的軸力值比實際值要大。這種差異占比通過以上計算可知其對應的混凝土支撐軸力約為 1 797 kN，約占混凝土支撐軸力非荷載因素引起變化的52.8%。

以上三種影響分析是建立在標準彈性模量固定的基礎上計算的，如果按照模型單元分塊采用混凝土彈性模量非線性取值進行計算，計算所得到的非受力荷載因素總和影響占比要超過實際監(jiān)測計算軸力值的58.4%。

5 結 論

根據以上試驗模型的監(jiān)測數據分析可得到如下認識：

(1)混凝土支撐軸力的大小要通過混凝土支撐構件本身彎壓受力狀態(tài)和混凝土支撐非荷載因素綜合進行分析確定，如果假定某個參數簡化分析及計算，會使監(jiān)測軸力產生較大誤差，對后續(xù)施工和設計造成很大影響。

(2)通過實際模型監(jiān)測數據計算及綜合因素的分析可知，混凝土實際軸力值可取混凝土支撐現場監(jiān)測軸力值的30%～40%作為混凝土支撐軸力監(jiān)測的實際值。

[1] 葉萬靈. 圍護結構中鋼筋混凝土支撐軸力和變形的研究[J]. 土木工程學報，2000(5)：83～87+96.

[2] 張啟輝，朱葒，趙錫宏. 考慮收縮與溫度應力的鋼筋混凝土支撐軸力研究[J]. 巖土工程技術，2000(1)：51～54.

[3] 胡正亮. 基坑工程中混凝土支撐內力監(jiān)測結果異常分析[J]. 西部探礦工程，2007(2)：2～3.

[4] 夏才初，李永盛編著. 地下工程測試理論與監(jiān)測技術[M]. 同濟大學出版社，1999.

[5] 惠榮炎等編著. 混凝土的徐變[M]. 中國鐵道出版社，1988.

Concrete Supporting Axial Force of Support Structure Analysis

Zhang Kaiwei，Hao Jiafu，Chen Hong

(The Hebei Research Institute of Construction & Geotechnical Investigation Co.，Ltd. Shijiazhuang 050031，China)

Retaining structures Monitoring of Foundation pit Concrete support axis force actual size constitute by concrete support component itself bent pressure by force and concrete support non-load contains factors of effect，if just with removed a parameter or assumes that a parameter not variable to simplified calculation and analysis，will makes site monitoring get of support axis force and actual pit excavation caused of support axis force produced larger errors，so through actual model monitoring data calculation and the integrated factors of analysis can know Concrete supporting structure itself bending stress and concrete supporting a load factor of size，can calculate the actual force value of exterior-protected structure supporting axial force monitoring in the field of supporting axial force ratio range in value for the latter provide scientific data to support continued construction and design of dynamic adjustment.

concrete supporting axial force test model；non-load factors supporting Member bending-compression loading

1672-8262(2017)01-169-03

TU94.2

B

2016—08—04 作者簡介：張開偉(1982—)，男，碩士，高級工程師，主要從事樁基檢測、工程物探、工程勘察、基坑監(jiān)測等方面的生產和科研工作。