浅谈钢筋混凝土支撑轴力监测对比试验

2018-01-05向贵府李虎杰

四川建筑 2017年6期

关键词：轴力基坑荷载

陈科, 向贵府, 郝超, 李虎杰

(西南科技大学环境与资源学院, 四川绵阳 621010)

浅谈钢筋混凝土支撑轴力监测对比试验

陈科, 向贵府, 郝超, 李虎杰

(西南科技大学环境与资源学院, 四川绵阳 621010)

文章介绍了与实际工程相同的钢筋混凝土构件为试验对象，制作时在构件中安装振弦式钢筋计和混凝土应变计。通过在大型MTS试验机上进行加载试验，在加载与卸载的过程中分别记录两种测量仪器的数据，并通过相应的轴力转换公式进行轴力计算。基于试验数据，对比两种混凝土轴力监测手段的准确性以及验证传统监测方法的可靠性。得出在相同情况下，使用混凝土应变计测量的数据更为精确，以及使用更为方便和智能。

振弦式钢筋计；混凝土应变计；加载试验；轴力转换

在拥堵的城市中开挖基坑使用放坡开挖已变得不现实，更多的是采用基坑支护，而钢筋混凝土支撑是基坑支护系统中重要的组成部分，支撑轴力的监测又是支护结构是否处于安全的重要手段和安全依据。目前有很多的学者和工程师都开始研究混凝土支撑轴力的问题。传统的混凝土轴力监测大都是通过钢筋计的监测然后再换算成支撑轴力，虽然在工程中取得一定的效果，但钢筋计的安装需要剪断相应钢筋然后通过焊接方式使钢筋计和钢筋连接起来，这会改变相应的钢筋强度，从而影响整个钢筋混凝土构件的强度；在监测数据时需要人工每天多次的去测量，使得监测效率和获取数据的效率不高；同时也存在人为的误差等问题。通过在混凝土中安装监测设备以达到监测目的是现在研究的热点。这是因为在不改变钢筋混凝土的强度的前提下，能有效地达到监测目的。

本文通过室内实验制作特定目标的钢筋混凝土结构，并在试验构件中同时安装振弦式钢筋计和混凝土应变计，通过加载实验所获得大量监测数据进行收集整理与分析，基于监测数据对比两种方法的准确性，同时验证传统钢筋计监测方法的可靠性。

1 试验方法

1.1 模型制作

本次试验的钢筋混凝土梁的长度为4 m，截面尺寸为500 mm×400 mm，混凝土梁配筋中主筋采用HRB400型号钢筋，直径25 cm，长4 000 mm，共12根，箍筋和加强筋直径为16 cm，混凝土按C35强度要求进行配制。所获得的混凝土梁极限轴力可由轴心受压构件的承载力计算获得，计算得到极限轴力为4 816.227 kN。

1.2 测量仪器的安装

根据需要在支撑梁三分之一处四个角点的主筋上通过焊接4个钢筋计进行截面受力测量。图1为4个钢筋计在梁的位置，图2为钢筋计位置的截面图。

图1 构件模型

图2 钢筋计位置的截面

在混凝土支撑梁中心位置处等间距的安装5个混凝土应变计对其内部应力情况进行测量(图3)。

图3 应变计平面位置

捆扎好钢筋笼后，将试验的混凝土应变计捆扎到钢筋上，并将数据线接好，同时记录在未浇筑混凝土之前各个仪器的初始频率数值。然后将配好的混凝土倒入模板内进行振动捣实，加工成型的混凝土梁制作完成后按要求进行浇水养护。在养护期间，每天早中晚对4个钢筋计各监测一次，5个混凝土应变计的数据是通过自动化监测，监测频率为每两个小时自动监测一次。

1.3 加载试验

在养护56 d后为了模拟现场开挖过程中混凝土梁受力情况，试验中将养护好的混凝土梁放置到大型MTS试验机上进行加载试验。试验采用的MTS液压加载试验机，设计最大加载量程为1 000 kN，由于反力装置设备所限，试验最大加载至800 kN。

试验共分为16级加载，每级加载50 kN，共加载至800 kN，每级加载维持时间为15 min。卸载时间分为60 min，直到荷载为0。在每级加载中，记录钢筋计的读数和应力计的读数(图4)。

图4 现场试验

2 轴力监测与分析

2.1 振弦式钢筋计在荷载下频率的变化

由于加载试验在养护56 d后进行，所以取加载试验前测得的钢筋计频率值为初始频率，记录加载试验中钢筋计的读数如表1所示。

表1 相应荷载下钢筋计频率

埋入混凝土中的4个钢筋计中的3个在加载中频率的都随着荷载的增大而减小，这说明钢筋计处于受压状态。虽然编号为409205的钢筋计频率在加载到100 kN时有过短暂的增大，这并不影响在整个加载试验中编号为409205的钢筋计是处于受压状态。

编号为408996的钢筋计在加载试验进行到0～200 kN时所检测到的频率依然是随着荷载的增大而减小，说明在这个阶段中编号为408996的钢筋计还是处于受压状态。但在随后200～800 kN加载试验中该钢筋计所监测到的频率却在逐渐的增大，这与其他3个钢筋计的变化规律明显不同。这其中的原因可能是在浇筑混凝土的时候没有搅拌均匀，使力的传递较集中；也可能是在加载试验当中，整个构架由于摆设的位置或者加载仪器的位置，没能使构架均匀受力。

2.2 混凝土应变计在荷载下频率的变化

同理，取加载试验前测得的应变计频率值为初始频率，记录加载试验中应变计的读数(表2)。

表2 相应荷载下应变计的频率

通过加逐级加载试验发现，传感器也是随着荷载的加大而频率逐渐的减小，这说明和钢筋计一样，应变计的频率是因为受到了压力而减小。但是4号应变计却一直处于初始值没有改变，故认为4号应变计已产生故障，在后面轴力的转换过程中应该舍去4号应变计的值而使用剩余的4个应变计的值加以计算。

3 试验结果分析

混凝土应变计主要有埋入式和表面式两种类型，工程中一般采用埋入式。应变计在混凝土浇筑时埋设应有足够的混凝土保护层厚度，一般不小于250 mm。埋设时应变计应与支撑方向保持平行，并避免混凝土振捣时使应变计发生转向、位移。结合已测出的钢筋应力计的初始频率、厂家给出的率定系数及计算公式换算出被测钢筋的应力值，由钢筋计的应力反算支撑轴力的计算公式为钢筋应力计算公式。

采用混凝土应变计测量混凝土的应变后反算支撑轴力，其计算公式如下：

Ni=εEcAc

对于采用钢筋计测量钢筋应力后反算支撑轴力，传统轴力计算公式为：

σ=F÷S

式中：σ为被测钢筋的应力(MPa)；S为被测钢筋的截面积(m2)。

式中：F为被测钢筋的力改变量(kN)；K为钢筋应力计的灵敏度系数(K=K0×K1)；K0为0.000 711 86；K1为出厂标定系数；F1为钢筋应力计的实时测量频率(Hz)；F0为钢筋应力计的初始频率(Hz)。

利用上述公式并取加载前测得的频率为初始频率得出的相应荷载下，钢筋计和应变计所测得的轴力大小以及相对误差见表3，理论应力与实际转换轴力对比见图5。

图5 实际应力与计算轴力对比

通过表3，得出随着荷载的加大，钢筋计和应变计都随着加大，且两种方法所得出的平均轴力相差不大。但通过计算转化而来的平均轴力还是和相应的加载荷载有一定的误差，其中钢筋计的平均轴力百分误差是6.07 %，应变计的平均轴力百分误差为4.10 %。但应变计随着荷载的逐渐加大，百分误差却越来越小，这说明应变计相对于钢筋计来说精度更高。通过图5对比可知混凝土应变计的转换轴力更接近实际荷载。