影響鋼筋混凝土支撐軸力因素的研究

趙 亮 李偉強 瞿少尉

0 引言

近20年來，我國高度超過100 m的建筑物已有約200座。這些已建和在建的超高層建筑，其基坑深度已逐漸由6 m，8 m發展至10 m，20 m以上，最深的達到40 m，深基坑支護在地下施工中起著舉足輕重的作用。在現代基坑工程中，監測已經成為必要和重要的一個環節。

在采用鋼筋混凝土支撐支護的基坑工程中，支撐軸力是設計、監理和施工單位共同關心的內容。鋼筋混凝土支撐受力以受壓為主，對混凝土材料來說，存在體積收縮、徐變、溫度等因素影響對支撐受力的測量，并且，直接用測得的應變值、混凝土彈模計算混凝土應力和支撐軸力存在計算值偏大的異常情況，為避免這種誤差影響施工，有必要對影響混凝土應力的各因素進行分析，并對監測結果進行修正。

1 軸力監測的原理

對于鋼筋混凝土支撐，主要采用鋼筋計測量鋼筋的應力，一般預先在支撐內的鋼筋籠四角或中間位置各埋設一組鋼筋計，與支撐主筋焊接在一起。然后通過共同工作、變形協調條件反算支撐的混凝土軸力［1］。

按照這種軸力的監測計算方法，測試的軸力一般是設計值的2倍～3倍，甚至更大，而且同一天不同時間的測量值也相差很大，這些對設計產生了很大的阻礙，我們必須增大圍護結構的可靠性，從而消耗了更多的人力、財力。有時在加固了圍護結構后發現監測值還是持續偏大，而圍護結構并未發生破壞，可見實際的支撐軸力并沒有監測的結果那么大。在實際工程中影響監測結果的原因很多，但重要的不是監測人員的失誤以及監測儀器的問題，而是這種監測方法并沒有完全考慮鋼筋混凝土材料受力特點。也就是實際監測的埋在鋼筋混凝土中的鋼筋的應力并不是完全由荷載產生的，而是有一部分非荷載應力的影響。

2 某深基坑支撐軸力的監測

某深基坑工程位于南京鼓樓峨眉路北側。基坑開挖深度為9.5 m，有效開挖面積為(37.3 ×26.1)m2。該綜合樓地上7 層，建筑高度23.65 m，框架結構。場地北側為已建成的6層110 kV變電站，基礎形式為天然地基，設一層地下室，距基坑最近距離為2.4 m。

因擬建場地東側、南側、西側緊鄰建筑物，支護方案采用人工挖孔樁，樁之間進行壓密注漿;基坑北側以樹根樁進行支護。

基坑開挖至5 m后在2008年9月21日完成混凝土支撐，繼續土方開挖至約9 m，在2008年10月27日完成鋼支撐的換撐，拆除混凝土支撐并繼續土方開挖。支撐斷面為0.5 m×0.7 m，在四角分別埋設振弦式鋼筋測力計，埋設斷面見圖1。

現只針對上部的鋼筋計做考慮，并選取左邊鋼筋計為主要研究對象。監測每天一次，一般均在8:00～8:30完成測量，共計測量36 d，監測的鋼筋計頻率值如圖2所示。

從圖2中可以發現，隨著時間的推移，頻率值迅速降低，直至穩定。可見由于土方的開挖使支撐的軸力迅速升高，單從頻率來看，并未發現異常。

混凝土支撐軸力計算采用常規算法，假定在鋼筋混凝土結構中，鋼筋的應變與混凝土的應變相同，于是兩者的應力存在如下關系:

根據斷面的配筋情況可得混凝土軸力為:

其中，下標1，2分別代表鋼筋和混凝土，通過計算，混凝土軸力的分布如圖3所示。

混凝土軸力的設計值為2 000 kN，從圖3中可以發現，實際監測值基本上都超過2 000 kN，最大值5 139 kN，超過了設計值的2.5倍。按照監測換算的軸力，混凝土支撐應該會發生較大的變形或者出現裂縫，但實際混凝土并沒有出現裂縫，因此可以斷定監測得出的混凝土軸力是偏大的。

3 軸力監測結果偏大的原因分析

非荷載的因素是軸力出現異常偏大的主要原因，具體主要是混凝土的徐變、收縮和溫度變化。

3.1 混凝土徐變的影響

徐變與外力荷載及時間均有關系。在長期荷載作用下，混凝土內水泥膠體微孔隙中的游離水將從毛細管里擠出并蒸發，導致膠體體積縮小，形成徐變過程。混凝土的徐變大小，取決于荷載、混凝土齡期、環境條件、混凝土配合比、構件厚度以及時間長短等因素［2］。

在澆筑后混凝土的徐變隨著齡期的變化而逐漸增大，直至趨于穩定。混凝土的徐變不單與荷載、時間以及外部環境等因素相關，還與歷史應力、加載齡期密切相關［3，4］;徐變的發生會增大混凝土結構的變形。對于鋼筋，雖然也會發生徐變，但是鋼筋的徐變只與當前應力相關，與歷史應力無關。徐變的速率遠沒有初期的混凝土徐變速率大，混凝土軸向變形速率要大于鋼筋的軸向變形速率，這就必然引起兩者之間的附加內力，因此這使得測量值比實際值大出很多。

3.2 混凝土收縮的影響

在鋼筋混凝土支撐開始受荷進入工作狀態后，混凝土一直在發生體積收縮。混凝土的收縮是混凝土體內水泥凝膠體中游離水蒸發，而使其本身體積縮小的一種物理化學現象［5］。影響混凝土收縮的主要因素是環境的相對空氣濕度和混凝土齡期，還與構件的厚度、水灰比以及環境溫度等因素有關。

收縮的影響與徐變的影響相似，混凝土在收縮時會產生收縮變形，而鋼筋混凝土結構中的鋼筋不會收縮，考慮到變形協調，鋼筋會阻礙混凝土收縮變形，在阻礙過程中鋼筋就會發生變形，產生附加的壓應力。隨著時間的增大混凝土收縮會產生持續增大的收縮變形，因此鋼筋的附加壓應力會隨著時間的增大而持續增大，這主要是由于混凝土的收縮引起的，從而導致通過鋼筋計的頻率反算出混凝土的軸力偏大。

4 結語

深基坑工程的監測是一個至關重要的環節，采用鋼筋應力計量測鋼筋混凝土軸力時，會出現混凝土支撐軸力值偏大的異常情況，軸力值往往比設計值高出許多，針對監測結果偏大進行了簡要的原因分析、解釋和總結，同時提出在工程中針對監測結果進行修正的必要性，避免因為結果的偏大而影響工程的設計和施工。

［1］夏才初，李永盛.地下工程測試理論與監測技術［M］.上海:同濟大學出版社，2002.

［2］葉萬靈.圍護結構中鋼筋混凝土支撐軸力和變形的研究［J］.土木工程學報，2000(10):21-23.

［3］馮圣清，崗鎮輝.楊浦大橋主塔工程混凝土收縮徐變控制技術研究［J］.混凝土與水泥制品，1994(4):38-40.

［4］祝昌暾，陳 敏，楊 楊，等.高強混凝土的收縮和早期徐變特性［J］.混凝土與水泥制品，2005(2):16-17.

［5］胡正亮.基坑工程中混凝土支撐內力監測結果異常分析［J］.西部探礦工程，2007(2):98-99.