混凝土支撐軸力計算方法

1、混凝土支撐軸力監(jiān)測范本1工程概況該工程包括盾構(gòu)始發(fā)井兼軌排井及后明挖段，設(shè)計為 13跨的閉合框架結(jié)構(gòu)，其中盾構(gòu)始發(fā)井基坑開挖深度約為 18.9 m，明挖段基坑開挖深度約 17.5 m ;基坑深度范圍內(nèi)大部分為砂層，以淤泥質(zhì)粉細(xì)砂層為主，基坑底部幾乎全部位于淤泥質(zhì)粉細(xì)砂層?；釉O(shè)計采用800 mm厚的地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐的圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系。內(nèi)支撐采用3道支撐體系，第一道為具有一定剛度的冠梁，第二、三道為600、t=14的鋼管， 在灌梁和斜撐上共埋設(shè)13個鋼筋混凝土支撐軸力監(jiān)測點?；颖O(jiān)測點平面位置見圖(Kr I'lri 'I K'lrnj - 7 -fl' i 叫上必須

2、通過監(jiān)測隨時 以判斷前一步施工工藝 確保工程安全。圖t碁燒理魁土支撐監(jiān)期點平頁命富圖由于基坑開挖深度較大且附近有一級公路高架橋和鐵路雙線橋，屬于一級基坑，掌握土層和支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化情況，將監(jiān)測數(shù)據(jù)與設(shè)計預(yù)估值進(jìn)行分析對比，和施工參數(shù)是否符合預(yù)期值，以確定優(yōu)化下一步施工參數(shù)，以此達(dá)到信息化施工的目的, 2軸力監(jiān)測的原理其基本原理是利鋼弦的振動頻率也對于混凝土支撐，目前實際工程采用較多的是鋼弦式應(yīng)力計方法測量鋼筋的應(yīng)力，用振動頻率與其應(yīng)力之間的關(guān)系建立的。受力后，鋼筋兩端固定點的距離發(fā)生變化，發(fā)生變化，根據(jù)所測得的鋼弦振動頻率變化即可求得弦內(nèi)應(yīng)力的變化值。其計算公式如下：Pg= K (經(jīng)-齢)+

3、 bPg 平均=(P 1+P2+P 3+P4 +Pn) /nISg=Pg 平均 /S g(3)P混凝土 =5g S混凝土 E混凝土 /Eg式中P g鋼筋計軸力；Pg平均鋼筋計荷載平均值；5g鋼筋計應(yīng)力值；Sg鋼筋計截面積；P混凝土混凝土樁荷載值；E混凝土混凝土彈性模量；Eg鋼筋彈性模量 ；S混凝土混凝土樁橫截面積。引起其自振在監(jiān)測中由于內(nèi)外部溫差變化以及混凝土徐變特性會使鋼筋應(yīng)力計產(chǎn)生一定的伸縮變形， 動頻率變化， 因此必須采取必要的修正參數(shù)進(jìn)行溫差改正，以提高監(jiān)測結(jié)果的可靠性。3監(jiān)測方案3.1測點的布置本工程混凝土支撐設(shè)計強(qiáng)度等級為 C30，彎曲抗壓強(qiáng)度為16 MPa，抗拉力為1.75 MP

4、a，采用鋼 弦式鋼筋計進(jìn)行軸力監(jiān)測。 監(jiān)測點位埋設(shè)在混凝土支撐中部位置，應(yīng)力計安裝位置如圖 2所示，分別對應(yīng)所在的支撐編號后加編 1、 2、 3、 4予以區(qū)分。I-Ll'l2應(yīng)力計位置圖以后進(jìn)行量測，在 現(xiàn)場條件下,3.2監(jiān)測方法和要求由于混凝土初期澆筑會產(chǎn)生水化熱，為了減少溫度的影響，在混凝土澆筑24 h以后的幾天內(nèi)混凝土散熱漸次進(jìn)行，可認(rèn)為混凝土的收縮是產(chǎn)生應(yīng)力計中應(yīng)力的主要來源。為了控制無外荷條件，在混凝土澆筑后 47 d內(nèi)，未進(jìn)行挖土的條件下，連續(xù)測得應(yīng)力計讀數(shù)與時間的關(guān)系，讀得應(yīng)力計讀數(shù)基本穩(wěn)定時的值，作為修正后應(yīng)力計值，以此作為初始值進(jìn)行應(yīng)力量測。3.3支撐軸力測試與計算支

5、撐軸力的測試是了解圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力特性、監(jiān)測結(jié)構(gòu)物安全性的重要依據(jù)。在監(jiān)測過程中首先通過采集鋼筋計的讀數(shù)，按照上述公式編制相應(yīng)的程序進(jìn)行軸力結(jié)果自動計算，然后在支撐澆筑初期計入混凝土齡期對彈性模量的影響。在室外溫度變化幅度較大的季節(jié)，通過相應(yīng)的溫度改正，避免暴冷暴熱溫差對測試結(jié)果的干擾影響測試精度。圖3是部分支撐軸力測試值隨時間的變化曲線圖。弓三呂二曇一寧三三 :亠n二一I訂訂 -f 1尊 十一:- i亠：一- j -:;廠 一；一；亠亠刁丁 ：亠 冷*十于丄十”亠壬一 二二 T廠； i :一 上二左= 丄一 -”二-一 1 戶 一 1 * F - 二ITHT- E忙 T* IT-.II 11 尸

6、 F'lf'M總的來看， 從6月初期基坑開挖施工開始，隨著基坑逐步分區(qū)域開挖的進(jìn)行與開挖深度的加大，支撐結(jié)構(gòu)的支撐軸力逐漸加大，到8月底開挖至坑底時，支撐軸力逐漸趨于穩(wěn)定。圖3中盾構(gòu)始發(fā)井和軌排井所在區(qū)域的監(jiān)測點 E101最終支撐軸力接近8 500 kN，E102最終支撐軸力接近7 000 kN ,E103最 終支撐軸力接近 6 500 kN，E104最終支撐軸力接近6 000 kN，E105最終支撐軸力接近5 500kN， E106最終支撐軸力接近5 000 kN，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其所在混凝土支撐設(shè)計值1 600 kN，明挖段的監(jiān)測點 E107、E108、E109最終支撐軸力接近

7、3 000 kN，也都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計值 1 100 kN的2倍。E103和E104、E105和E106等兩個位置相鄰的測點監(jiān)測結(jié)果曲線基本一致，所有的混凝土支撐曲線形狀基本類似，只是處于盾構(gòu)始發(fā)井鋼筋混凝土支撐的最終軸力比明挖段的最終軸力大，可以認(rèn)為是由于開挖深度不同導(dǎo)致。4監(jiān)測數(shù)據(jù)分析 4.1監(jiān)測數(shù)據(jù)異常分析監(jiān)測初期，E104、 E105和E106測點的支撐軸力實測值為負(fù)值，隨開挖深度的加大，支撐軸力由負(fù)變正，即由理論上的軸向拉力變?yōu)檩S向壓。出現(xiàn)負(fù)值的原因，筆者認(rèn)為是埋設(shè)在支撐上的鋼筋計、變計等元件所測到的鋼筋或混凝土應(yīng)力并非全部是由荷載產(chǎn)生的，還有多種非荷載因素產(chǎn)生的附加應(yīng)力，而引起非荷載應(yīng)

8、力的主要原因有混凝土的干縮、濕脹、徐變和構(gòu)件溫度變化等?；炷林蜗到y(tǒng)的軸力監(jiān)測在基坑開挖6月9日至25日期間，E101、 E102、 E103、 E104經(jīng)超過設(shè)計允許值。隨著開挖的進(jìn)行，到8月底，軸力監(jiān)測值最大監(jiān)測點E101處達(dá)到8 500 kN，余幾個監(jiān)測點的軸力監(jiān)測值也已大大超過支撐的設(shè)計安全值1 600 kN，但支撐一直安全工作， 未出現(xiàn)裂縫等不安全、失穩(wěn)跡象。同步監(jiān)測的支護(hù)結(jié)構(gòu)墻 （樁）頂水平位移和沉降、支護(hù)結(jié)構(gòu)（墻體）側(cè)向位移也沒有突然變化加大的趨勢，一直處于變形比較穩(wěn)定的狀態(tài)。由于基坑場地范圍砂質(zhì)地層厚度大，砂層含水豐富、 滲透性強(qiáng)， 為了確?；影踩┕?， 基坑安全應(yīng)急處理專

9、家在 7月2日采取停止基坑開 挖和加強(qiáng)監(jiān)測頻率的應(yīng)急預(yù)案。通過后來連續(xù)3天的監(jiān)測結(jié)果表明基坑各項變形暫時比較緩慢，觀察支通過檢查驗證監(jiān)測方法和監(jiān)測數(shù)據(jù)的計算后，綜合分析同步監(jiān)測的支護(hù)結(jié)構(gòu) （墻體） 側(cè)向位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，基坑安全應(yīng)急處理專家撐未出現(xiàn)裂縫等不安全、失穩(wěn)跡象。 支護(hù)結(jié)構(gòu)墻（樁）頂水平位移和沉降、 小組集體判斷認(rèn)為基坑暫時處于安全狀態(tài)。束，最大值達(dá)到設(shè)計允許值的6倍,4.2原因分析而支撐系統(tǒng)一直處于正常的工作狀態(tài)?；炷林蜗到y(tǒng)的軸力監(jiān)測結(jié)果普遍異常一直到基坑開挖結(jié)在實際工程施工過程中，出現(xiàn)混凝土軸力監(jiān)測異常的原因是多方面的，主要有以下幾個：a）由于基坑工程設(shè)置于力學(xué)性質(zhì)相當(dāng)復(fù)雜的地層中

10、，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)支撐的空間受力是三維的，而在基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計和變形預(yù)估時，一方面，基坑圍護(hù)體系所承受的土壓力等荷載存在著較大的不確定性；另一方面，對地層和圍護(hù)結(jié)構(gòu)支撐一般都作了較多的簡化和假定，與工程實際有一定的差異。因此現(xiàn)階段在基坑工程設(shè)計時，對結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算以及結(jié)構(gòu)和土體變形的預(yù)估與工程實際情況有較大的差異，并在相當(dāng)程度上仍依靠經(jīng)驗。b）在鋼筋混凝土支撐開始受荷進(jìn)入工作狀態(tài)后， 復(fù)雜性。混凝土是存在微裂縫及空隙的多相材料， 變化，存在徐變、松弛、 直存在體積收縮和徐變，有兩個方面應(yīng)該引起注意：混凝土材料本身的不是理想的彈性材料，彈性模量等力學(xué)參數(shù)隨時間而熱脹冷縮、濕脹干縮等現(xiàn)象，骨料分離可能導(dǎo)

11、致的不均勻性等?；炷烈皇湛s和徐變的發(fā)生都會增大結(jié)構(gòu)的變形，也都會使混凝土的彈性模量降低，同但存在徐變，其徐變速率不及混凝土，時造成結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布，即產(chǎn)生次內(nèi)力。鋼筋不發(fā)生收縮，力荷載作用在鋼筋混凝土桿件時，由于收縮和徐變的發(fā)生，和軸力在混凝土與鋼筋間的粘結(jié)力的作用下會明顯地增加，當(dāng)軸變和收縮發(fā)展較快的初期。因此，鋼筋混凝土支撐中存在的這兩個現(xiàn)象,在理論上進(jìn)行分析、計算、設(shè)計時要大?；炷凛S向變形速率高于鋼筋，鋼筋的變形導(dǎo)致發(fā)生更大的彈性壓縮，尤其是在混凝土徐導(dǎo)致混凝土在荷載下的變形比認(rèn)為鋼筋與混凝土的彈性變形是完全協(xié)調(diào) 必然反算而得到過大的支撐內(nèi)力。c）在監(jiān)測中測量軸力的應(yīng)力計正是通過量測鋼

12、筋的變形, 同步，從而反算支撐內(nèi)力的，所以測得過大的鋼筋變形， 5結(jié)束語通過實例分析，在混凝土收縮和徐變發(fā)展速度較快的相當(dāng)長一段時間內(nèi)，測得的鋼筋混凝土支撐內(nèi)力大于實際內(nèi)力，實際內(nèi)力并非有監(jiān)測得到的異常結(jié)果那么大。而且大量的工程實踐也支持著這一結(jié)論：例如廣州地鐵六號線大坦沙站基坑開挖深度20.5 m，2道混凝土支撐，第2道支撐（C30 800 mm X 800mm）軸力監(jiān)測值最大處曾達(dá)到 12 010 kN，已大大超過支撐的安全報警值，但支撐一直安全工作，未出現(xiàn)裂縫等不安全、失穩(wěn)跡象，直至施工封頂完成；廣州地鐵二、八號線鳳凰新村站基坑開挖深度22.3m， 3道鋼筋混凝土支撐，施工過程中第 3道支撐（C30 1 200 mmX000 mm）軸力監(jiān)測值最大處達(dá)到13 500 kN，已超出軸力安全報警值，但并未出現(xiàn)不安全工作的跡象，直至支撐拆除。在實際工程中，大部分出現(xiàn)此類情況的基坑支撐系統(tǒng)是處于安全狀態(tài)的。經(jīng)過以上的分析監(jiān)測結(jié)果，得出以下幾個方面的結(jié)論：a）根據(jù)工程經(jīng)驗對現(xiàn)有的監(jiān)測方法得到的監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行合理的修正。b）由于目前缺乏能直接觀測混凝土應(yīng)力的有效實用儀器， 在監(jiān)測中主要利用應(yīng)變計觀測混凝土的應(yīng) 變，然后利用混凝土的彈性模量及徐變等試驗資料， 其間需要做相當(dāng)程度的簡化和必要的理論上的假定， 通過計算間接得到混凝土的應(yīng)力。因此， 有必要研究、采用新