一种钢筋混凝土支撑轴力监测新方法

2021-12-08陈大江丘北刘张记峰

广东土木与建筑 2021年12期

陈大江，丘北刘，何钦，张记峰

（广东省建设工程质量安全检测总站有限公司广州 510500）

0 引言

随着社会、基础建设的大力发展，各大城市的房屋建筑基坑、地铁等地下结构越建越深，部分基坑设计深度甚至超过30 m，对支护体系的稳定性提出了更高的要求。钢筋混凝土内支撑是基坑支护体系的重要组成部分，随着城市建设的发展，城区用地越发紧张，加上近年来城市人口日益增多，为了满足相应的城市配套设施，很多综合商业、住宅楼由地上向地下发展。因此，内支撑在城区的基坑建设过程中使用率越来越高。支撑轴力是判定支撑支护体系甚至整个基坑安全的重要指标，《建筑基坑工程监测技术标准：GB 50497—2019》［1］明确指出，支撑轴力在一二级基坑工程中为应测项。

然而，目前实际监测工作中，支撑轴力的监测值往往比设计值要大［2-4］，在很多的实际监测项目中，甚至远远超过设计报警值，但附近支护体系未有出现裂缝或是倾斜等异常情况；且在支撑轴力报警区域内的其他监测项目，比如冠梁的水平位移，支护桩的深层水平位移、周边地表沉降、周边地下水位等监测项的监测值亦处于设计值范围内。为此，本文也对相关研究进行了调研：潘华［5］和周文等人［6］研究发现影响钢筋混凝土支撑轴力精度的主要因素有混凝土弹性模量、混凝土温度、支撑弯矩、混凝土的收缩与徐变等；蔡书勇［7］认为混凝土产生裂缝后，再采用传统的轴力计算公式计算支撑轴力已不合适；吴连祥等人［2］认为实测轴力往往达设计轴力的2～3 倍，甚至更高，实际轴力仅是实测轴力的40%左右，这样的实测数据已失去指导意义，容易造成设计、施工的无所适从，妨碍设计水平的提高，必须尽快寻找切合实际的监测替代方法，或对常用的监测方法进行改进；陈进河等人［8］和肖振烨等人采用修正公式对监测结果进行修正，剔除了混凝土收缩、徐变及应力应变关系非线性的影响，修正后的轴力更加符合实际；李怀良等人［10］提出了一种加权平均应变计的混凝土支撑轴力监测新方法。由此可见，在混凝土支撑轴力监测方面，普遍存在监测不准确的情况，甚至有些学者开始研究新的替代方法。

为优化支撑轴力的监测过程以提升轴力监测精度；在上述研究基础上，本文提出一种以拉线位移计、激光位移计测量钢筋混凝土支撑梁的轴向变形量，再结合支撑梁的截面积、弹性模量计算支撑轴力的监测新方法。

1 传统混凝土支撑轴力监测方法

1.1 支撑轴力的监测方法

目前对钢筋混凝土支撑轴力监测的常用方法是把钢筋应力计、混凝土应变计等传感器埋设在钢筋混凝土支撑内，或是把混凝土表面应变计贴在混凝土支撑的表面进行监测，通过测定传感器的频率变化得出钢筋混凝土支撑梁的应变量，再结合钢筋混凝土支撑的钢筋和混凝土的弹性模量及钢筋混凝土支撑的截面积计算得出支撑轴力。

1.1.1 支撑轴力布设方式

⑴埋设钢筋应力计时，先将配套的连接钢筋与钢筋计通过螺纹连接，切断主筋，把连接好的钢筋计焊接到主筋上；焊接时采用水流冷却措施，以防温度过高损坏电磁线圈或改变钢弦性能，影响监测精度，且应确保钢筋计与被测钢筋在同一轴线上，焊接长度应不少于5倍钢筋直径且双面焊接。或可在主筋上加工螺纹，与钢筋应力计通过螺纹直接连接。

⑵埋设混凝土应变计时，可用铁丝直接绑扎在主筋上，并牢固固定。

⑶对于混凝土支撑，支撑轴力监测点每组应埋设4 个钢筋应力计或混凝土应变计，分别埋设在混凝土支撑截面4个侧边中心位置。同组钢筋计宜分别采用4 种不同颜色的导线，不同混凝土支撑的同向侧边埋设的钢筋计应采用同一颜色的导线，如图1所示。

图1 混凝土支撑钢筋计布置示意图Fig.1 Layout of Concrete Support Reinforcement Meter

1.1.2 支撑轴力计算公式

钢筋计量测混凝土支撑轴力的计算公式和应变计量测混凝土支撑轴力的计算公式分别由式⑴和式⑶给出。

式中：Nc为支撑轴力（kN）；Ec、Et分别为混凝土和钢筋的弹性模量（kN/mm2）；Ac、At分别为混凝土截面积和钢筋截面面积（mm2）；σt为钢筋计平均应力（kN/mm2）；kj为钢弦式钢筋计/应变计常数（kN/Hz2）；fji为钢筋计/应变计测量自振频率（Hz）；fj0为钢筋计/应变计测量自振频率（Hz）；Ajs为第j个钢筋计截面积（mm2）。

1.2 支撑轴力监测方法的弊端

由支撑轴力的计算式⑴和式⑶可知，钢筋混凝土支撑轴力的计算是把测得的应变值直接乘以钢筋混凝土支撑的截面积和钢筋混凝土的弹性模量，在计算的过程中，未考虑温度变化、混凝土收缩、徐变等因素影响，因此计算出来的支撑轴力要比设计值偏大。支撑轴力监测值大于实际值，会给设计方复核基坑支护体系安全数据造成一定的影响，既浪费人工成本也浪费时间成本。

另外，目前钢筋混凝土支撑轴力的常用监测方法是在混凝土支撑里面埋设传感器，该种监测模式在施工过程中很容易受到影响，如传感器或是信号线在混凝土浇筑振捣时遭到破坏；若传感器遭到破坏，基本无法进行补救，考虑到支撑受自重影响，上下截面受力不均匀，单一传感器破坏后，在轴力计算过程中一般取完好的对角传感器监测值进行计算。若支撑体系受力不均匀，支撑轴力偏心会造成计算出来的轴力值与设计值偏差较大。

2 支撑轴力监测新方法

前文所述皆为传统的监测手段，通过混凝土支撑的应变、支撑截面积、钢筋混泥土弹性模量计算出钢筋混凝土支撑轴力；然而，测量钢筋混凝土支撑应变除传感器外，亦可通过测量钢筋混凝土支撑梁的长度变化来计算出支撑梁的应变量。李兆源［11］的研究中提出：除电测法外，还可通过传统测量方法测量支撑梁上某两点之间开挖前和开挖后的距离，从而计算出支撑的应变量。但文献［11］采用的是传统的全站仪测量支撑两端距离，因精度原因，采用全站仪难以较好地测量出钢筋混凝土的支撑轴力变化情况。

在前者的基础上，本文对支撑轴力监测新方法进一步的研究，采用拉线位移计、激光位移计等监测支撑两端变形，算出支撑应变，并分析这2种监测仪器的精度及适用性。

2.1 拉线位移计法

拟采用拉线位移计测量混凝土支撑梁的长度，在混凝土支撑梁的一端固定传感器，采用1.5 mm粗的钢丝绳水平连接在支撑梁另一端的固定点。当支撑梁发生轴向变形时，拉线位移计的拉绳会随着支撑梁的变形而发生伸展和收缩，用钢丝绳发生的距离变化量△与两端点的距离L计算得出钢筋混凝土支撑梁的应变量ε，拉线位移计如图2所示。

图2 拉线位移计Fig.2 Wire Displacement Meter

拉线位移计参数：测量行程0～6 000 mm，分辨力0.003 mm/脉冲，精度：0.05%FS，工作温度-25～+85 ℃。

2.2 激光位移计法

激光位移计利用激光发射点和光斑位置采集仪之间的相对位移，结合机械传动技术与自平衡校正功能来实现高精度监测，测量出钢筋混凝土支撑梁的两点间距离变化量，工作原理如图3所示。

图3 激光位移工作原理Fig.3 Working Principle of Laser Displacement

激光位移计技术参数：水平位移量程0～100 m，水平位移精度0.5 mm。

2.3 支撑轴力监测新方法的测量误差分析

目前支撑轴力监测采用的是间接监测方法，通过监测传感器测得混凝土支撑梁的应变，而后根据材料力学计算公式算出支撑轴力。而混凝土支撑梁的应变不仅可以通过传感器测出，亦可以通过监测混凝土支撑梁轴向变形计算出。假设混凝土支撑梁的初始长度为L0，Ln为第n次测量的支撑长度，则混凝土支撑梁的应变量为：

设L0误差为a0，Ln的误差为an，那么，计算出的混凝土支撑梁的轴力误差等于：

因a0=an，化简得，△= 2·EA·a0/L0，由式⑺可知，当支撑梁的长度越长、位移测量精度越小，则轴力误差值越小。

若采用拉线位移计进行测量，且支撑截面为0.8 m×0.8 m，按最大量程计算，则：

测量中误差= 2×EA×0.05%=13 574 kN

若采用激光位移计进行测量，按最大量程100 m计算，则：

测量中误差= 2×EA×0.5/105=135.74 kN

由上述两款设备的测量中误差来看，拉线位移计因为量程和精度原因，达不到目前轴力监测的精度要求。

参考位移观测中的对于新方法的误差要求，测定中误差需在变形允许值的1/10～1/20 以下［13］，由此可以计算出支撑梁轴力的允许值，然后在实际工程中，把支撑轴力设计容许值与允许值进行对比，若支撑轴力设计容许值大于允许值，则可以采用激光位移计进行监测，反之，若支撑轴力设计容许值小于允许值，则不适合采用激光位移计进行监测。

以50 m 长而截面为1 m×1 m 的支撑为例，根据上述计算公式计算出的测量中误差为424 kN。若支撑轴力设计容许值超过8 480 kN（424 kN 的20倍），则采用激光位移计测量支撑轴力的精度能够满足测量需求。