影响支撑轴力测试的混凝土特性

杨震伟,骆介华,魏云峰,陈玄斌,戴 民

(1.杭州市铁路投资有限公司,浙江 杭州 310021;2.中国水电顾问集团华东勘测设计研究院,浙江 杭州 310014)

当前城市用地日趋紧缺,城市开发向地下空间发展。地下空间的开发,大多采用明挖基坑工法进行施工,由于明挖基坑工程为高风险项目,常采用现场监测手段进行风险控制。内支撑围护结构的支撑体系受力需重点监控,支撑轴力测试对于基坑顺利完工意义非常重大。由于混凝土非线性特性,支撑轴力测试值往往出现偏大的现象。本文利用振弦式钢筋应力计的工作原理,结合基坑监测的实测数据,说明由于混凝土非荷载方面的特性包括混凝土徐变、收缩和温度上升引起的自身膨胀,导致支撑轴力计算数据出现偏大的情况。

1 支撑轴力测试原理

对于混凝土支撑常采用钢筋应力计测试轴力,可预先在支撑的钢筋笼上、下位置分别埋设1支钢筋计,与支撑主筋绑扎或焊接在一起。通过共同作用、变形协调条件计算混凝土支撑轴力。

当钢筋应力计受力时,引起弹性钢弦的张拉变化,改变钢弦的振动频率,通过频率仪测得钢弦的频率变化,即可算出钢筋应力计的应力值,换算而得混凝土支撑轴力。钢筋受力计算式:

式中:P1为钢筋计受力,kN;K1为钢筋计灵敏度系数,kN/Hz2;f0为钢筋计的初始频率,Hz;f1为钢筋计受力后的频率,Hz。

混凝土支撑轴力可按下式计算:

式中:N为支撑轴力,kN;fc为混凝土轴心抗压强度设计值,N/mm2;Pg为上下2个钢筋计的应力平均值,即(P1+P2)/2,N;Ag为钢筋计截面面积,mm2;Eg为钢筋弹性模量,N/mm2;ε0为与应力峰值相应的混凝土应变,通常取ε0=0.002;As为纵向主筋截面面积,mm2;Ac为支撑截面面积,mm2。

2 影响支撑轴力的混凝土特性

混凝土支撑受力以受压为主,在采用钢筋计实测值计算支撑轴力过程中,支撑轴力普遍出现偏大的现象,主要是由于埋设于钢筋混凝土中的钢筋应力并不完全由荷载产生,还有一部分由非荷载因素次生。非荷载因素,主要有混凝土的徐变、收缩和温度变化。

2.1 混凝土徐变的影响

徐变与外力荷载及时间均有关系。在长期荷载作用下,混凝土内水泥胶体微孔隙中的游离水将从毛细管里挤出并蒸发,导致胶体体积缩小,形成徐变过程。混凝土的徐变大小,取决于荷载、混凝土龄期、养护环境、混凝土配合比、构件厚度以及时间长短等因素[1]。

混凝土浇注后发生徐变,随着龄期的增长而逐渐增大,直至趋于稳定。混凝土的徐变不单与荷载、时间及外部环境等因素有关,还与历史应力、加载龄期密切相关[2-3];徐变的发生会增大混凝土结构的变形。对于钢筋,虽然也会发生徐变,但是钢筋的徐变只与当前应力相关,与历史应力无关。钢筋徐变的速率远没有初期的混凝土徐变速率大,混凝土轴向变形速率要大于钢筋的轴向变形速率,必然引起两者之间的附加内力,使得实测值比实际值大很多。

2.2 混凝土收缩的影响

混凝土收缩是混凝土内部水泥凝胶体游离水蒸发,体积缩小的一种物理化学现象。混凝土收缩与环境的空气湿度、混凝土龄期、构件厚度、水灰比及环境温度等因素有关。

收缩影响与徐变影响相似,混凝土在收缩时会产生收缩变形,而混凝土结构中的钢筋不会收缩,考虑到变形协调,钢筋会阻碍混凝土收缩变形,在阻碍过程中,钢筋发生变形,产生附加压应力。混凝土支撑开始受荷进入工作状态,混凝土体积收缩。随着时间增长,混凝土收缩产生持续增大的轴向收缩变形,致使钢筋的附加压应力随着时间的增长而持续增大,从而导致通过钢筋计频率计算出来的支撑轴力偏大。

2.3 温度的影响

混凝土支撑受日光照射后,产生较高的温度。温度使混凝土支撑产生热胀冷缩效应,引起轴向伸缩,由于支撑受到围护结构的约束,支撑的伸缩即产生的力。此外,混凝土支撑受日光照射往往不均匀,产生不均匀的温度,呈梯度分布,温度在扩散传递过程中产生温度次生力,进一步使支撑轴力的变化变得复杂。

3 工程实例分析

图1 支撑配筋及钢筋计布置图

杭州某加压泵站基坑位于西湖区转塘镇龙心村、龙王沙村境内,紧邻钱塘江引水入城工程沉沙调节池北侧和钱塘江堤,距珊瑚沙水库上游约1 km,作为闲林水库向珊瑚沙水库供水的加压泵站。泵站基坑尺寸为42 m×31 m(长×宽),基坑周长约150 m。泵站基础为钻孔灌注桩基础。基坑挖深11.6m,基坑侧壁安全等级为一级。支撑配筋及钢筋计布置见图1,基坑支撑轴力平面布置见图2。

图2 基坑支撑轴力平面布置示意图

基坑混凝土支撑采用C25级混凝土,fc=11.9 N/mm2。支撑均采用普通钢筋,Eg=2.0×105N/mm2。钢筋计直径为φ 16 mm。支撑截面配筋及各钢筋计灵敏系数见表1。

表1 支撑截面配筋及各钢筋计灵敏系数表

基坑第2道支撑于5月13日浇筑完成,5月22日测试初值,5月30日在开挖前测试。5月13—30日上午,基坑未明显施工,周边无影响,且数据均为早晨升温前测试,温差在1℃左右,故可基本排除基坑内外施工和温度的影响。根据表1反映,轴力变化最大为726 kN,引起测值变化的主要原因是混凝土养护期间产生徐变与收缩的影响。5月30日轴力测试值见表2。

表2 5月30日轴力测试值表

5月7日天气晴朗,气温17～30℃,早晨和傍晚基坑第1道支撑的2次计算值见表3。这段时间,正处于第2道支撑钢筋绑扎施工期,基坑周边环境亦无明显施工,故可认为支撑上无新增荷载。根据实测数据,当天轴力变化达580 kN,引起测值变化的主要原因是温度。

表3 5月7日轴力测值表 kN

4 结 语

混凝土支撑轴力测试是内支撑基坑监测极受关注的监测项目。做好基坑混凝土支撑轴力监测工作,对于工程的安全实施极为重要。支撑轴力监测需结合混凝土非线性特性、施工工况进行综合分析。认清混凝土徐变、收缩和温度特性,有利于正确判断轴力监测数据。在现场支撑轴力测试过程中,需仔细分析混凝土非线性带来的影响,结合施工工况,水平位移速率情况,才能正确判断基坑支撑体系工作性状;支撑轴力初值取用基坑开挖前1～2 d的测值,以减小混凝土初期收缩带来的影响;高温时段,轴力测试以每天清晨较为适宜,减小温差带来的影响。

[1]叶万灵.围护结构中钢筋混凝土支撑轴力和变形的研究[J].土木工程学报,2000(10):530-532.

[2]冯圣清,岗镇辉.杨浦大桥主塔工程混凝土收缩徐变控制技术研究 [J].混凝土与水泥制品,1994(04):316-319.

[3]祝昌暾,陈敏,杨杨,等.高强混凝土的收缩和早期徐变特性[J].混凝土与水泥制品,2005(02):257-259.