地铁车站钢筋混凝土支撑轴力监测值修正研究

季国富

(福州轨道交通设计院有限公司 福建福州 350002 )

0 引言

地铁车站基坑开挖时，钢筋混凝土支撑轴力监测是施工现场安全风险监测的主要内容之一，是信息化施工的重要项目。通过对支撑轴力进行监测，可掌握支护结构的受力状况，从而对基坑的安全状态进行判断，并在出现异常情况及时报警，以便采取必要的工程应急措施，保证基坑本身和周围建筑物的安全，确保工程顺利进行。

但在实际施工中，(全国各地)经常会发生钢筋混凝土支撑轴力监测值超过设计预警值的情况，有的甚至会超出很多[1]。而大多数现场情况是，其他监测指标均比较正常(如围护结构测斜、支撑挠曲变形、地面沉降等)，这些支撑并没有发生显著的变形，也没有明显的受力裂缝，轴力监测数值与结构表像不相符合。是监测数据不准确还是设计预警值过于保守？对此，现有文献定性分析较多，尚缺乏定量分析资料，对后续指导施工操作性不足。基此，本研究拟对支撑轴力监测数据的各项误差进行定量修正，并提出更合理的监测预警值。

1 工程概况

某地铁终点站，采用地下一层侧式站台，标准段基坑宽35.6m～50.3m、深8.6m～10.7m、局部坑中坑深1.65m～5.65m。车站基坑围护结构采用Φ800@1000钻孔灌注桩+Φ800@550三重旋喷桩止水帷幕+两道钢筋混凝土支撑，局部坑中坑采用旋喷桩加固+放坡法施工，具体如图1所示。

图1 基坑围护结构平面及剖面图注：加黑者为本文讨论的支撑

施工中，当主体基坑开挖至坑中、坑底部时，第二道混凝土支撑轴力监测发出红色预警，轴力监测值达到14 887kN(表1)，远超设计预警值(设计提供的轴力预警值为7147kN)，但其他监测指标均未见异常，混凝土支撑及腰梁并未出现明显裂缝、支撑挠曲(水平和竖向)不明显，围护桩变形(测斜)也在设计允许范围内。

表1 支撑轴力监测弹模影响修正表

笔者仔细分析了监测方法，查看了施工日志和设计文件，发现如下问题：其一，监测数值没有根据施工的实际情况进行误差修正，轴力监测数值偏高；其二，设计提供的轴力预警值相对于支撑的极限承载力偏低。

下文笔者分别就这两个问题进行详细论述。

2 对混凝土支撑轴力监测值的修正

2.1 目前混凝土支撑轴力监测值的测算方法及存在问题

2.1.1目前轴力监测方法

钢筋混凝土支撑的轴力是由钢筋和混凝土共同承担的，即：

N总=N钢+N砼=ε钢×E钢×A钢+ε砼×E砼×A砼

式(1)[2]

以目前的工程监测技术水平，对钢筋混凝土支撑的轴力监测和计算大多采用如下方法(该工程亦如此)：通过钢筋计测量受力钢筋的频率→算出支撑中钢筋的应力→算出钢筋的应变→根据变形协调得出混凝土的应变→根据钢筋应力和混凝土应变算出支撑的轴力[3]。

具体工程中，E钢、A钢、A砼是常量，ε钢是根据钢筋计监测换算出来的，并假定：

(1)E砼为常量，一般取设计值；

(2)ε砼=ε钢(根据变形协调)；

将上述参数代入式(1)，这样就计算出了支撑的轴力N。

2.1.2现有监测方法存在的问题

上述两个假定有如下问题：

(1)E砼取设计值不符合该工程实际情况

从监测数据资料看，现场监测轴力计算采用的混凝土弹性模量Ec为设计值，即Ec=3.0×104MPa，而C30混凝土弹模要达到这个值一般在20℃养护条件下需要28d。施工日志反映，支撑在养护6d时即开始受力，环境温度约为5～10℃，故此时混凝土弹模没有达到设计值，因此N砼实际值比监测计算值要小。

资料表明[4]，混凝土龄期与弹模关系非常密切，如表2所示。

表2 混凝土弹性模量与龄期[4]

养护温度对混凝土弹模的发展也有显著影响[5]。当养护温度低于10℃时，混凝土28d龄期的弹模一般只有设计值的90%。

该工程恰恰这两种情况同时发生，一是混凝土支撑在养护6d即开始受力(基坑开挖)；二是当时为1月份最冷的几天，环境温度较低。因此，支撑混凝土的实际弹模小于设计值，计算混凝土轴力时需对此项影响进行修正。

在式(1)中，计算混凝土支撑监测轴力时ε砼采用ε钢不符合实际情况[6]。

实际上，混凝土变形由3部分组成，包括弹性变形、徐变变形和收缩变形，即ε砼=ε弹性+ε徐变+ε收缩。由于该工程混凝土支撑受力时养护龄期较短(6d)，虽然钢筋和混凝土的变形是协调的(即ε砼=ε钢)，但由于早期混凝土收缩徐变影响较大(即ε徐变+ε收缩较大)，有时结构的累计徐变变形可达到同应力下弹性变形的1.5～3倍或更大，因此混凝土实际的受力应变ε弹性比ε钢小，所以N砼实际值比监测计算值也要小。

综上，根据监测数据计算的混凝土轴力偏大，也就是轴力监测值比实际值偏大，影响了监测值的准确性，必须进行定量修正[7]。

2.2 轴力监测值的定量修正

该地铁车站混凝土支撑采用C30混凝土，支撑截面为800mm×800mm，支撑总长度为30.1m，竖向设置了2根格构柱，水平向设置2道混凝土系梁，如图1所示。

2.2.1对混凝土弹性模量进行修正

表1可知，由于混凝土支撑受荷龄期较早，混凝土实际弹性模量比设计值低很多，由此引起的监测误差在受荷第21d时达到3000kN，占比约20%。

2.2.2对混凝土徐变影响进行修正

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2012)计算徐变影响。具体步骤为：根据加载龄期t0和计算龄期t计算出混凝土的徐变系数φ(t,t0)。→根据徐变系数计算出砼的弹性应变，即：ε弹性=ε砼/(1+φ(t,t0))→推算出砼支撑轴力N砼和支撑轴力N总。

表3为支撑轴力监测徐变影响修正表。

表3 支撑轴力监测徐变影响修正表

由表3可知，由于混凝土支撑受荷龄期偏早，混凝土徐变影响很大，由此引起的监测误差在第21d时达到4318kN，占比36.3%。

2.2.3对混凝土收缩影响进行修正

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2012)计算收缩影响，与计算徐变影响类似，具体步骤为：根据收缩开始龄期ts和计算时龄期t计算出砼的收缩应变εcs(t,ts)→计算出混凝土的弹性应变ε弹性=ε砼-εcs→推算出砼轴力和支撑轴力[8]，如表4所示。

表4 支撑轴力监测收缩影响修正表

由表4可知，混凝土支撑在受荷第21d收缩系数为0.3291×10-4，收缩变形对监测轴力的影响约为648kN，占比约为8.6%。

2.2.4各项修正(混凝土弹模、混凝土徐变收缩)合计

按照2.2.1～2.2.3的方法，对早期受荷的混凝土支撑轴力影响较大的因素逐一进行修正，即先对弹性模量影响进行修正，再采用弹模修正后的轴力对徐变影响进行修正，再根据徐变修正后的轴力对收缩影响进行修正，最终得到更加“真实”的支撑轴力值，结果如表5所示。

表5 支撑轴力监测修正汇总表

计算表明，砼支撑在加载第21d监测轴力显示为148 87kN，经各项修正后的轴力为6922kN，误差达53%，如图2所示。

图2 砼支撑轴力监测修正汇总图

3 关于混凝土支撑轴力预警值(N预警)的设定问题

3.1 目前轴力预警值存在的问题

目前，轴力预警值一般由设计单位提供，但预警值的标准没有相应规范进行明确，各家设计单位把握上不尽相同。

以该工程为例，设计单位提供的预警值为：在设计工况下，支撑所受轴力的设计值。也就是说，在施工工况与设计工况完全符合的情况下，监测最后也会报警。而对于实际施工工况比设计工况差时(如施工不规范或实际地质情况比地勘情况更糟)，那就必然要提早报警了。

笔者认为，这个预警值值得商榷。它反映的是设计与施工情况的符合问题，没有准确反映结构的安全问题。很多情况下，虽然实际施工情况比设计“不理想”，但并不代表结构就处于不安全状态，因为设计总是有一定安全富余度。

3.2 工程混凝土支撑承载力设计值计算

已知条件前文已述，计算步骤如下：应用有限元软件sap2000计算支撑的长度系数μc=0.425→根据《混规》第6.2.15条查表得φ=0.87→计算支撑极限承载力为14 581kN。

理论上，该混凝土支撑轴力超过14 581kN时，支撑才会出现失稳破坏[9]。为安全起见，笔者推荐，监测安全预警值初始值可选极限承载力的80%，即14 581×80%=11 665kN。

3.3 工程混凝土支撑监测预警值分析

工程混凝土支撑监测轴力值为14 887kN，经弹模和收缩徐变修正后的准确轴力为6922kN，混凝土支撑的极限承载力为14 581kN，混凝土支撑轴力设计值(即原轴力预警值)为7147kN。上述表明：

(1)混凝土支撑的真实轴力(6922kN)小于轴力设计值(7147kN)，表明施工状况在设计工况范围之内。

(2)混凝土支撑的真实轴力(6922kN)远小于支撑极限承载力(14581kN)，表明现有施工状况下支撑结构处于安全状态。

(3)如果支撑结构的监测预警值按笔者推荐的方法进行设定，即设定极限承载力的80%(11 665kN)，则混凝土支撑的真实轴力(6922kN)小于监测报警值，监测不会报警。

图3为该工程各项轴力对比示意。

图3 该工程各项轴力对比

现场实际情况混凝土支撑并无异样，未出现明显挠度、变形或裂缝等征兆，表明对监测轴力值进行的上述修正是合理的。

4 结论及建议

(1)地铁车站钢筋砼支撑在受荷龄期较早时，混凝土的弹性模量、收缩徐变影响很大(误差有时可达50%)，不可忽略，在轴力监测时需要进行修正。

(3)施工监测各项参数取值应与施工的实际情况相吻合，不吻合时要进行必要的修正。如：弹性模量实际值应根据同期混凝土试块试验获取，徐变即收缩影响可根据规范公式并结合工程经验计算获取。

(4)当轴力监测数据异常时，应认真分析原因，并结合其他监测项目(如测斜、位移等)多方面核查、互相验证，以获得准确可靠信息，并指导后续工程推进。

(5)建议地铁车站钢筋混凝土支撑在达到设计要求后(强度、弹模等)方可进行后续施工。

参 考 文 献

[1] 张哲.基坑混凝土支撑轴力监测数据异常情况分析与探讨[J].隧道建设,2016,36(08):976-981.

[2] 张启辉,朱荭,赵锡宏.考虑收缩与温度应力的钢筋混凝土支撑轴力研究[J].岩土工程技术,2000(01):51-54.

[3] 李文峰.对地铁基坑混凝土支撑轴力监测精准性的探讨[J].隧道建设,2009,29(04):424-426.

[4] 林星平.混凝土弹性模量及徐变度的计算[J].云南水力发电, 1999 (04) :15-18.

[5] 陈彦博.云南高速公路C50混凝土弹性模量影响因素分析与实验研究[D]. 昆明：云南大学 2016

[6] 孙璨. 钢筋混凝土结构长期徐变收缩效应研究应用[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2010.

[7] 段飞,赵治海,盛云鸥.深基坑钢筋混凝土支撑轴力监测对比试验研究[J].陕西建筑,2016(01):33-36.

[8] 张启辉,朱荭,赵锡宏.考虑收缩与温度应力的钢筋混凝土支撑轴力研究[J].岩土工程技术,2000(01):51-54.

[9] 梅若非. 钢支撑与混凝土支撑效果实例分析[D].武汉：武汉工程大学,2016.

[10] 蔡丰锡.浅析支撑轴力报警值的选取[J].建筑工程技术与设计,2015(19):1843,1773.