混凝土支撑轴力计算方法

混凝土支撑轴力监测范本

1工程概况

该工程包括盾构始发井兼轨排井及后明挖段,设计为1～3 跨得闭合框架结构, 其中盾构始发井基坑开挖深度约为18、9 m, 明挖段基坑开挖深度约17、5 m; 基坑深度范围内大部分为砂层, 以淤泥质粉细砂层为主, 基坑底部几乎全部位于淤泥质粉细砂层。基坑设计采用800 mm 厚得地下连续墙+内支撑得围护结构体系。内支撑采用3 道支撑体系,第一道为具有一定刚度得冠梁, 第二、三道为Ф 600、t=14 得钢管, 在灌梁与斜撑上共埋设13 个钢筋混凝土支撑轴力监测点。基坑监测点平面位置见图1。

由于基坑开挖深度较大且附近有一级公路高架桥与铁路双线桥, 属于一级基坑, 必须通过监测随时掌握土层与支护结构得内力变化情况, 将监测数据与设计预估值进行分析对比, 以判断前一步施工工艺与施工参数就是否符合预期值, 以确定优化下一步施工参数, 以此达到信息化施工得目得, 确保工程安全。

2轴力监测得原理

对于混凝土支撑, 目前实际工程采用较多得就是钢弦式应力计方法测量钢筋得应力, 其基本原理就是利用振动频率与其应力之间得关系建立得。受力后, 钢筋两端固定点得距离发生变化, 钢弦得振动频率也发生变化, 根据所测得得钢弦振动频率变化即可求得弦内应力得变化值。其计算公式如下: P g＝K ( ) + b ⑴

P g 平均= (P1+P2+P3+P4+…+P n) /n ⑵

δg=P g 平均/S g⑶

P混凝土=δg·S混凝土·E混凝土/E g ⑷

式中P g———钢筋计轴力; P g 平均———钢筋计荷载平均值; δg———钢筋计应力值; S g———钢筋计截面积; P混凝土———混凝土桩荷载值; E混凝土———混凝土弹性模量; E g———钢筋弹性模量;S混凝土———混凝土桩横截面积。

在监测中由于内外部温差变化以及混凝土徐变特性会使钢筋应力计产生一定得伸缩变形, 引起其自振动频率变化, 因此必须采取必要得修正参数进行温差改正, 以提高监测结果得可靠性。

3 监测方案

3、1 测点得布置

本工程混凝土支撑设计强度等级为C30, 弯曲抗压强度为16 MPa, 抗拉力为1、75 MPa, 采用钢弦式钢筋计进行轴力监测。监测点位埋设在混凝土支撑中部位置, 应力计安装位置如图2 所示,分别对应所在得支撑编号后加编1、2、3、4 予以区分。

3、2 监测方法与要求

由于混凝土初期浇筑会产生水化热, 为了减少温度得影响, 在混凝土浇筑24 h 以后进行量测,在以后得几天内混凝土散热渐次进行, 可认为混凝土得收缩就是产生应力计中应力得主要来源。现场条件下, 为了控制无外荷条件, 在混凝土浇筑后4~7 d 内, 未进行挖土得条件下, 连续测得应力计读数与时间得关系, 读得应力计读数基本稳定时得值, 作为修正后应力计值, 以此作为初始值进行应力量测。

3、3 支撑轴力测试与计算

支撑轴力得测试就是了解围护结构受力特性、监测结构物安全性得重要依据。在监测过程中首先通过采集钢筋计得读数, 按照上述公式编制相应得程序进行轴力结果自动计算, 然后在支撑浇筑初期计入混凝

土龄期对弹性模量得影响。在室外温度变化幅度较大得季节, 通过相应得温度改正, 避免暴冷暴热温差对测试结果得干扰影响测试精度。图3 就是部分支撑轴力测试值随时间得变化曲线图。

总得来瞧, 从6 月初期基坑开挖施工开始,随着基坑逐步分区域开挖得进行与开挖深度得加大, 支撑结构得支撑轴力逐渐加大, 到8 月底开挖至坑底时, 支撑轴力逐渐趋于稳定。图3 中盾构始发井与轨排井所在区域得监测点E101 最终支撑轴力接近8 500 kN, E102 最终支撑轴力接近7 000 kN,E103 最终支撑轴力接近6 500 kN, E104 最终支撑轴力接近6 000 kN, E105最终支撑轴力接近5 500 kN, E106 最终支撑轴力接近5 000 kN,都远远大于其所在混凝土支撑设计值1 600 kN, 明挖段得监测点E107、E108、E109 最终支撑轴力接近3 000 kN, 也都远远大于设计值1 100 kN 得2 倍。E103 与E104、E105 与E106 等两个位置相邻得测点监测结果曲线基本一致, 所有得混凝土支撑曲线形状基本类似, 只就是处于盾构始发井钢筋混凝土支撑得最终轴力比明挖段得最终轴力大,可以认为就是由于开挖深度不同导致。

4监测数据分析

4、1 监测数据异常分析

监测初期, E104、E105 与E106 测点得支撑轴力实测值为负值, 随开挖深度得加大, 支撑轴力由负变正, 即由理论上得轴向拉力变为轴向压。出现负值得原因, 笔者认为就是埋设在支撑上得钢筋计、应变计等元件所测到得钢筋或混凝土应力并非全部就是由荷载产生得, 还有多种非荷载因素产生得附加应力, 而引起非荷载应力得主要原因有混凝土得干缩、湿胀、徐变与构件温度变化等。

混凝土支撑系统得轴力监测在基坑开挖6 月9日至25 日期间, E101、E102、E103、E104 已经超过设计允许值。随着开挖得进行, 到8 月底,轴力监测值最大监测点E101 处达到8 500 kN, 其余几个监测点得轴力监测值也已大大超过支撑得设计安全值1 600 kN, 但支撑一直安全工作, 未出现裂缝等不安全、失稳迹象。同步监测得支护结构墙(桩) 顶水平位移与沉降、支护结构(墙体)侧向位移也没有突然

变化加大得趋势, 一直处于变形比较稳定得状态。由于基坑场地范围砂质地层厚度大, 砂层含水丰富、渗透性强, 为了确保基坑安全施工, 基坑安全应急处理专家在7 月2日采取停止基坑开挖与加强监测频率得应急预案。通过后来连续3 天得监测结果表明基坑各项变形暂时比较缓慢, 观察支撑未出现裂缝等不安全、失稳迹象。通过检查验证监测方法与监测数据得计算后, 综合分析同步监测得支护结构墙(桩)顶水平位移与沉降、支护结构(墙体) 侧向位移监测数据, 基坑安全应急处理专家小组集体判断认为基坑暂时处于安全状态。混凝土支撑系统得轴力监测结果普遍异常一直到基坑开挖结束, 最大值达到设计允许值得6 倍, 而支撑系统一直处于正常得工作状态。

4、2 原因分析

在实际工程施工过程中, 出现混凝土轴力监测异常得原因就是多方面得, 主要有以下几个:

a) 由于基坑工程设置于力学性质相当复杂得地层中, 基坑围护结构支撑得空间受力就是三维得,而在基坑围护结构设计与变形预估时, 一方面,基坑围护体系所承受得土压力等荷载存在着较大得不确定性; 另一方面, 对地层与围护结构支撑一般都作了较多得简化与假定, 与工程实际有一定得差异。因此现阶段在基坑工程设计时,对结构内力计算以及结构与土体变形得预估与工程实际情况有较大得差异, 并在相当程度上仍依靠经验。

b) 在钢筋混凝土支撑开始受荷进入工作状态后, 有两个方面应该引起注意: ①混凝土材料本身得复

杂性。混凝土就是存在微裂缝及空隙得多相材料, 不就是理想得弹性材料, 弹性模量等力学参数随时间而变化, 存在徐变、松弛、热胀冷缩、湿胀干缩等现象, 骨料分离可能导致得不均匀性等。②混凝土一直存在体积收缩与徐变, 收缩与徐变得发生都会增大结构得变形, 也都会使混凝土得弹性模量降低, 同时造成结构内力重分布,即产生次内力。钢筋不发生收缩, 但存在徐变,其徐变速率不及混凝土, 当轴力荷载作用在钢筋混凝土杆件时, 由于收缩与徐变得发生, 混凝土轴向变形速率高于钢筋, 钢筋得变形与轴力在混凝土与钢筋间得粘结力得作用下会明显地增加,导致发生更大得弹性压缩, 尤其就是在混凝土徐变与收缩发展较快得初期。因此, 钢筋混凝土支撑中存在得这两个现象, 导致混凝土在荷载下得变形比在理论上进行分析、计算、设计时要大。

c) 在监测中测量轴力得应力计正就是通过量测钢筋得变形, 认为钢筋与混凝土得弹性变形就是完全

协调同步, 从而反算支撑内力得, 所以测得过大得钢筋变形, 必然反算而得到过大得支撑内力。

5 结束语

通过实例分析, 在混凝土收缩与徐变发展速度较快得相当长一段时间内, 测得得钢筋混凝土支撑内力大于实际内力, 实际内力并非有监测得到得异常结果那么大。而且大量得工程实践也支持着这一结论: 例如广州地铁六号线大坦沙站基坑开挖深度20、5 m, 2 道混凝土支撑, 第2 道支撑(C30 800 mm × 800 mm) 轴力监测值最大处曾达到12 010 kN, 已大大超过支撑得安全报警值, 但支撑一直安全工作, 未出现裂缝等不安全、失稳迹象, 直至施工封顶完成; 广州地铁二、八号线凤凰新村站基坑开挖深度22、3 m, 3 道钢筋混凝土支撑, 施工过程中第3 道支撑(C30 1 200 mm×1 000 mm)轴力监测值最大处达到13 500 kN, 已超出轴力安全报警值, 但并未出现不安全工作得迹象, 直至支撑拆除。在实际工程中, 大部分出现此类情况得基坑支撑系统就是处于安全状态得。经过以上得分析监测结果, 得出以下几个方面得结论:

a) 根据工程经验对现有得监测方法得到得监测结果进行合理得修正。

b) 由于目前缺乏能直接观测混凝土应力得有效实用仪器, 在监测中主要利用应变计观测混凝土得应变, 然后利用混凝土得弹性模量及徐变等试验资料, 其间需要做相当程度得简化与必要得理论上得假定,

通过计算间接得到混凝土得应力。因此, 有必要研究、采用新得更为准确得混凝土支撑内力监测手段。

c) 轴力监测值不大时, 监测值可以作为较保守得内力值供工程参考、

d) 在基坑工程中对设计计算分析与施工质量控制中可以考虑适当提高钢筋混凝土支撑得轴力监测报警值, 以解决混凝土支撑内力监测中较为普遍地出现结果异常得问题。

总之, 混凝土应力应变分析具有理论与实践紧密结合得特点, 需要充分考虑到结构特点、材料因素、工程施工及运行状况以及计算理论得合理性, 才能得到较为准确可靠得成果。