非荷載因素作用下的軸力修正計算

戴遠俊，何 欽，陳大江

（1、珠海市金灣區(qū)建設工程質量監(jiān)督檢測站 廣東珠海 519090；2、廣東省建設工程質量安全檢測總站有限公司 廣州 510500）

0 引言

混凝土支撐對基坑的穩(wěn)定性十分重要。若支撐軸力超過設計值，便可能會造成基坑失穩(wěn)破壞。但目前在支撐軸力的監(jiān)測過程中，會出現(xiàn)支撐軸力監(jiān)測值遠大于預警值以及設計值，但支撐仍然完整的情況。因此考慮對軸力監(jiān)測值進行修正很有必要。

多年來，基坑軸力監(jiān)測的準確性未能得到有效提高。葉萬靈［1］較早發(fā)現(xiàn)混凝土支撐監(jiān)測軸力遠遠大于設計值的問題，并通過室內模型試驗和現(xiàn)場試驗［2-5］，對其進行驗證（支撐軸力監(jiān)測值大于實際軸力值）。在此基礎上，學者們陸續(xù)開展對軸力監(jiān)測值的修正研究。其中考慮溫度與收縮徐變效應的修正是較為常見的方法［6-10］，即在傳統(tǒng)的軸力計算公式中單一考慮溫度或收縮徐變效應，此法雖能適當修正監(jiān)測所得軸力，但忽略了溫度作用下彈性模量的變化及與混凝土徐變收縮共同作用造成的影響以及不同因素的影響大小。隨著有限元方法的成熟，相關研究也逐漸采用有限元模擬支撐的軸力［11-12］，該法能夠較好地反映支撐受力的實際情況，但往往參數(shù)設計復雜，需結合現(xiàn)場情況進行修正；此外還有對測量儀器初始參數(shù)如鋼筋計初始頻率進行修正［13］等方法。雖然現(xiàn)有研究對影響支撐軸力的因素都做了相關探討，但僅考慮單一因素的影響。在《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范：JTG 3362—2018》［14］中，提出考慮溫度與收縮徐變影響這一做法，但未詳細說明應做何種修正。因此現(xiàn)有的軸力修正方法仍有待研究。

為了提高混凝土支撐軸力監(jiān)測的準確性，本文在前人研究的基礎上考慮影響混凝土支撐軸力的因素，包括溫度、混凝土徐變與收縮。結合基坑實測數(shù)據(jù)進行計算，探究了現(xiàn)有修正方法的修正效果，分析收縮徐變對支撐軸力的影響、修正值與預警值的關系，并對進一步研究提出了相關建議。

1 修正理論

1.1 修正理論概述

當前支撐軸力監(jiān)測所使用的鋼筋計或應變計采用應力應變關系原理，通常在計算軸力時無法排除非荷載因素引起的應變，因此往往造成支撐監(jiān)測軸力大于實際軸力。目前對非荷載因素的修正方法包括溫度修正、收縮修正和徐變修正等［6-7，10］。通過考慮溫度膨脹，混凝土在長期荷載下的徐變以及收縮效應，在計算修正軸力時減去非荷載因素造成的變形，進而求得修正軸力。

1.2 溫度影響作用

溫度作用下混凝土以及應變計都會產生微小變形，但溫度會引起多個參數(shù)的變化。為簡化計算，現(xiàn)只考慮溫度作用下的膨脹變形。由于混凝土與應變計的線膨脹系數(shù)不同，造成應變計與混凝土之間相互變形不協(xié)調，產生了應變偏差［6，10］。因此溫度作用下對應變計的修正如下：

其中：F0=12.2 με∕℃，即鋼弦的線膨脹系數(shù)為12.2 με∕℃；F0=10，一般情況下，混凝土的線膨脹系數(shù)為10 με∕℃。

1.3 徐變效應影響

在荷載的長期作用下，混凝土本身會發(fā)生徐變變形，對應變監(jiān)測傳感器產生干擾。在荷載作用下，軸向受力的鋼筋混凝土支撐并考慮混凝土配筋率的徐變系數(shù)計算［7］可等效為式⑵：

式中：nc為鋼筋彈性模量與混凝土彈性模量比值；ρs為構件界面配筋率；其中φ（t，t0）計算參考文獻［14］對預應力混凝土徐變相關量的計算：

式中：t為計算時的齡期（d）；fcm為強度等級為C25～C50 的混凝土齡期在28 d 齡期時的平均圓柱體抗壓強度（MPa），fcm=0.8fcu，k+8MPa；fcu，k為齡期為28 d立方體抗壓強度標準值（MPa）；β RH為與年平均相對濕度相關的系數(shù)；RH為環(huán)境年平均相對濕度（%）；h為構件理論厚度（mm），h=2A∕u；A為構件截面面積；u為構件與大氣接觸的周邊長度；RH0=100%；h0=100 mm；t1=1 d；fcmo=10 MPa。

1.4 收縮效應的影響

在初期凝結、硬化、以及周圍環(huán)境變化過程中會出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，混凝土收縮屬于混凝土自身性質，并非由荷載作用引起，同樣會引起應變計的監(jiān)測誤差。目前應變收縮的計算公式參考文獻［14］如下：

式中：ts為收縮開始時混凝土齡期（d），可假定為3～7 d；εts（t，ts）為變收縮開始齡期為ts，計算考慮齡期為t的收縮應變；εcso為名義收縮系數(shù)；βs為收縮隨時間發(fā)展系數(shù)；βsc為對一般硅酸鹽水泥或快硬水泥，βsc=5.0。

2 工程概況

2.1 工程概況

珠海某基坑面積為25 870 m2，基坑周長為676 m?；娱_挖深度為13 m，采用圍護結構加兩道支撐體系?；炷林屋S力監(jiān)測傳感器采用混凝土應變計，型號為JMZX-3001，應變計在澆注混凝土前綁扎在主鋼筋上，并保證應變計與受力方向在同一軸線上。每個截面4 個角點或上下表面中間各布設1 個應變計?；訃o結構開始施工時對支撐軸力進行監(jiān)測。

2.2 支撐監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

在對基坑兩道支撐進行連續(xù)監(jiān)測后，監(jiān)測過程中軸力異常變化如表1 所示，超出報警值的部分占報警值的比例如圖1 所示。對于第一道支撐，其占比變化較明顯，監(jiān)測值超出報警值的比例最大為52%，遠遠超過報警值，最小比例約為1%。第二道支撐所占比例最大值達到90%，最小比例約為5%。但在基坑施工的整個周期中，兩道支撐結構未發(fā)生破壞，基坑處于穩(wěn)定狀態(tài)。

表1 支撐軸力監(jiān)測值與報警值Tab.1 Support Shaft Force Monitoring Value and Alarm Value

圖1 軸力超出值與報警值之比Fig.1 Ratio of Axial Force Exceeding Value to Alarm Value

第一道支撐軸力隨時間變化的趨勢如圖2?所示?？芍屋S力前期呈增長趨勢，而后逐漸減小最終趨于穩(wěn)定值。其中測點ZC10-1 在檢測過程中最大軸力達到約34 000 kN。

第二道支撐軸力隨時間變化的趨勢如圖2?所示。在基坑施工結束前，第二道支撐軸力在1 個月內增長迅速，后期變化逐漸平穩(wěn)，并且最終軸力整體大于第一道支撐。在基坑施工過程中，測點ZC15-2 最大軸力達到37 835.1 kN，遠遠大于軸力設計值。在此期間基坑始終處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 軸力變化趨勢Fig.2 Axis Force Change Trend Chart

根據(jù)上述分析結果可知，在基坑穩(wěn)定狀態(tài)下，部分支撐軸力的監(jiān)測數(shù)據(jù)存在偏大的情況，甚至接近2 倍的設計值。但支撐仍舊完好，基坑未發(fā)生較大位移。分析上述現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是軸力監(jiān)測儀器只能測得混凝土的應變，但無法區(qū)分荷載因素引起的應變與非荷載因素引起的應變，造成監(jiān)測軸力偏大的現(xiàn)象。而對于只有部分支撐軸力增大這一現(xiàn)象，筆者認為不同部位的支撐受力情況不同，收縮徐變也存在較大差異。但由于情況較為復雜，將不在此考慮本現(xiàn)象，只針對軸力偏大的支撐進行修正分析。

3 計算與分析

3.1 計算分析

根據(jù)上述修正公式⑴、⑵、⑷，綜合考慮溫度、收縮、徐變因素的修正公式以及軸力計算如下：

在現(xiàn)場軸力監(jiān)測中，總應變即為應變計所測出的應變值。未對支撐軸力進行修正，監(jiān)測值中包含非荷載因素產生的影響，導致監(jiān)測值遠大于荷載引起的實際軸力值。在修正計算時，為了更好的探究收縮與徐變造成的影響，只考慮混凝土收縮與徐變效應。利用上述修正公式對支撐軸力進行修正，以求得軸力的修正值。修正結果以及各種因素占比如圖3、圖4所示。

圖3 監(jiān)測值、修正值與報警值Fig.3 Monitoring Value，Correction Value and Alarm Value

圖4 修正值占比Fig.4 Correction Value Percentage Chart

3.2 修正分析

修正后軸力值與監(jiān)測值以及報警值對比的曲線如圖3?所示。可知，經過修正后的軸力明顯小于監(jiān)測值。其中ZC3-1，ZC20-1，ZC28-1預警值為16 000 kN，ZC27-1 預警值為13 000 kN，其余支撐預警值均為20 000 kN。圖3?中所示的修正后軸力均低于設置的預警值。非荷載因素引起第一道支撐的軸力值、收縮徐變值、修正值與報警值之比如圖4?所示。其中第一道支撐修正值與監(jiān)測值之比約為51%～54%，收縮占比6%～11%，徐變占比42%～45%；修正后值占預警值比為42%～74%，均小于設置的預警值。

第二道支撐修正值與監(jiān)測值以及預警值的對比情況分別如圖3?、圖4?所示。其中ZC6-2，ZC8-2預警值為25 000 kN，其余均為20 000 kN。第二道支撐修正值與監(jiān)測值之比約為45%～47%，收縮占比3%～6%，徐變占比40%～42%；修正值與報警值之比約為56%～100.3%。出現(xiàn)比值100%的情況是由于支撐ZC15-2 修正后的軸力值仍高于報警值，因此比值超過100%，但最終結果處于設計值之內；對于兩道支撐的軸力縮減幅度存在差異，其原因為第一道支撐存在時間較長，產生的收縮徐變的工期大于第二道支撐，因此其收縮徐變所占比例較大。

由上述兩道支撐數(shù)據(jù)可得，考慮收縮徐變修正后，修正比例最高達到54%。表明收縮徐變效應對混凝土支撐確實存在一定程度的影響，并且徐變效應在非荷載因素中占主要地位，而收縮產生的軸力基本維持在3%～10%。但由于混凝土徐變與收縮的復雜性，修正后軸力與實際軸力的關系需要進一步研究。除此之外，支撐軸力的預警值設置也存在一定的不合理性，修正后的軸力一般約為預警值的60%～70%，因此也可以考慮重新設置預警值。支撐軸力的影響因素較多，對于不同類型支撐其參數(shù)也有所差別；并且軸力通過間接測量得到，想要獲得精確的結果極其困難。本文只考慮幾個影響較大的因素，因此存在一定的誤差也是正常的。

4 結論

本文分析收縮與徐變因素對支撐軸力造成的影響，對珠海某基坑中軸力異常的支撐進行修正，比較修正前后的軸力值與預警值的關系。得到以下相關結論：

⑴在修正計算過程中，非荷載因素中收縮產生的軸力較小，約占總軸力的3%～10%；因收縮與混凝土的初凝期有關，在不同支撐中存在一定差異。

⑵徐變產生的軸力約占總軸力的45%～54%，對軸力造成的影響較大，是監(jiān)測過程中的一個主要影響因素，并且徐變隨時間而增長，其對中后期的軸力影響較大；除此之外，徐變涉及因素較多，其具體影響還有待繼續(xù)研究。

⑶支撐軸力修正后，大部分修正值保持在一定范圍內并低于預警值，但仍有部分支撐軸力在修正后仍接近或高于預警值。其原因在于徐變與收縮公式中實際涉及變量較多，并且對不同的混凝土支撐所涉及的參數(shù)也存在差別。基于上述修正結果與分析，現(xiàn)有的收縮與徐變收縮公式還需要進一步的探究。