混凝土支撐內(nèi)外部溫差對軸力影響分析

□文 /李曉勇

鋼筋混凝土支撐是深基坑圍護(hù)體系中重要的組成部分。在基坑開挖前，鋼筋混凝土支撐在環(huán)境溫度變化的作用下，由于兩邊受到地下連續(xù)墻的約束，會產(chǎn)生軸向力。李繼超[1]的研究成果表明，在晝夜溫差影響下，鋼筋混凝土支撐的軸力變化范圍可達(dá)到30%，故在設(shè)計計算鋼筋混凝土支撐時不考慮溫度影響下的軸力是很不安全的。目前，很多學(xué)者已經(jīng)開始注意到溫度對鋼筋混凝土支撐的軸力影響。

鄭剛等[2]基于基坑開挖后，鋼筋混凝土支撐受溫度影響產(chǎn)生軸力和土體對其反力相平衡的原理，推導(dǎo)出了考慮支撐-圍護(hù)樁-土體相互作用的溫度應(yīng)力的理論計算方法。吳明等[3]基于鄭剛的研究成果，進(jìn)一步推導(dǎo)出適合多層支撐體系的溫度應(yīng)力計算方法。吳長勝[4]將溫度應(yīng)力分布函數(shù)引入鋼筋混凝土支撐軸力計算公式，推導(dǎo)出了解析解。陸培毅等[5]利用ABAQUS有限元軟件，模擬溫度場與應(yīng)力場耦合的鋼筋混凝土支撐受力情況。艾智勇等[6]基于文克爾地基模型，把連續(xù)墻的剛度作為一個參數(shù)引入到計算多層鋼筋混凝土支撐溫度應(yīng)力的過程中。魯智明[7]、姚順雨等[8]均基于工程檢測數(shù)據(jù)，分析了鋼筋計測量誤差的原因。潘華等[9]考慮了壓彎作用下溫度效應(yīng)對鋼筋混凝土支撐的影響。

以往研究大多采用理論分析和數(shù)值計算方法，基于工程現(xiàn)場實測的研究較少。本文在一天中的不同時間點，分別測量支撐表面和內(nèi)部溫度；在多天測量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，研究鋼筋混凝土支撐軸力受溫度影響的關(guān)系。

1 鋼筋混凝土軸力測量值的溫度修正

目前測量鋼筋應(yīng)力的主要儀器為鋼弦式鋼筋計。鋼弦式鋼筋計是將一根長度已知的鋼弦兩端固定在鋼筋上，隨著鋼筋的變形鋼弦長度也發(fā)生變化，進(jìn)而其自振頻率也發(fā)生變化。通過測量鋼弦的自振頻率，就可以測得鋼弦的長度，進(jìn)而測得鋼筋的伸長量。目前采用鋼弦式鋼筋計的鋼筋軸力計算公式為

式中：FS——鋼筋軸力，kN；

f0——初始讀數(shù)，Hz；

fm——當(dāng)前讀數(shù)，Hz；

k——率定系數(shù)，kN/1000Hz2。

考慮到溫度修正，大多數(shù)鋼筋計廠家給出的溫度修正公式為

式中：b——溫度補償系數(shù)，kN/℃；

△t——溫差，℃。

但是鋼筋計廠家給出的計算公式中，溫度修正系數(shù)是鋼筋計在大氣溫度中測試得到的結(jié)果，其數(shù)值往往很小。在實際工程中，鋼筋計埋置于混凝土中，受到混凝土的約束，鋼筋計的變形應(yīng)該扣除混凝土的變形。故文獻(xiàn)[3]中給出的修正后的鋼筋計測量鋼筋軸力的公式為

式中：αs——鋼弦的線膨脹系數(shù)；

αc——混凝土的線膨脹系數(shù)；

AS——鋼筋截面積；

ES——鋼材彈性模量。

上述公式雖然考慮了實際工程中鋼筋計埋置在混凝土中時的溫度補償系數(shù)，但是采用的仍然是大氣溫度。由于鋼筋計埋置于混凝土中，故引起鋼筋計溫度變形的應(yīng)該是混凝土內(nèi)部溫度。在混凝土養(yǎng)護(hù)達(dá)到齡期后，其水化過程基本完成，其后混凝土的水化熱可忽略不計，可認(rèn)為混凝土本身不發(fā)熱。由于混凝土是溫度的不良導(dǎo)體，其內(nèi)部溫度相對于環(huán)境溫度有一定的滯后性，所以直接采用環(huán)境溫度計算鋼筋計的溫度應(yīng)力是不準(zhǔn)確的。

本文與實際工程相結(jié)合，具體討論混凝土內(nèi)部溫度相對于環(huán)境溫度的滯后性對鋼筋計測量結(jié)果的影響，同時將討論1d中鋼筋混凝土支撐的軸力變化過程，以期對實際施工有所指導(dǎo)。

2 工程概況

天津地鐵某換乘車站為800m半徑曲線站，標(biāo)準(zhǔn)段深25.6m，盾構(gòu)井深27.3m，基坑采用明挖法施工，地下連續(xù)墻圍護(hù)和內(nèi)支撐的支護(hù)體系。在天津市的明挖車站中屬于超深基坑。

地下連續(xù)墻厚1m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑深25.6m，墻長48.5m，其中有效鋼筋混凝土地下連續(xù)墻長44.5m，素混凝土墻長4m；端頭井段墻厚1m，基坑深27.3m，墻長48.5m，其中有效鋼筋混凝土地下連續(xù)墻長46.5m。

基坑從上到下共設(shè)有5道支撐，支撐截面尺寸為1000mm×800mm；混凝土強度等級為C30，彈性模量為 3×104N/mm2；鋼筋采用 HRB335，直徑為 28mm，共20根，彈性模量為2.06×105N/mm2。

3 支撐軸力計算

第一道混凝土支撐施工完畢，未進(jìn)行土方開挖時，選擇直撐和斜撐2個測點，分別為ZCL-01、ZCL-02，每個測點布置2個鋼筋計。在準(zhǔn)備監(jiān)測的混凝土支撐鋼筋綁扎期間，將鋼筋計布置在縱筋上。鋼筋計的兩端分別搭接焊接在縱向鋼筋上，搭接長度應(yīng)滿足搭接焊接的規(guī)范要求，見圖1-圖3。焊接時采用冷卻措施（濕布包裹住鋼筋計），以防溫度過高損壞電磁線圈和改變鋼弦性能。觀測時記錄環(huán)境溫度和鋼筋混凝土內(nèi)部溫度。混凝土內(nèi)部溫度的測量采用智能溫度測溫計。

圖1 鋼筋計傳感器布置

圖2 鋼筋混凝土支撐截面

圖3 鋼筋計現(xiàn)場安裝

由于基坑還未開挖，鋼筋混凝土支撐所受的力僅僅是由溫度變化所引起的軸壓力。由鋼筋計的讀數(shù)計算鋼筋混凝土支撐的軸力。

鋼筋混凝土支撐軸力由混凝土部分所受軸力和鋼筋受軸力組成

混凝土與鋼筋的變形協(xié)調(diào)一致

可得到混凝土部分受軸力為

將式（6）帶入式（4）可得鋼筋混凝土支撐受軸力

式中：F——鋼筋混凝土梁軸力，kN；

FS——單根鋼筋軸力，kN；

Fc——混凝土部分所受軸力，kN；

Ec——混凝土彈性模量，取3×104N/mm2；

Es——鋼筋的彈性模量，取2.06×105N/mm2；

A0——鋼筋混凝土支撐的截面積，取0.8m2；

As——單根鋼筋的截面積，取6.15×10-4m2；

n——鋼筋數(shù)量，取20根；

m——混凝土部分受軸力放大系數(shù)，。

鋼筋計測量的鋼筋軸力FS采用式（3）進(jìn)行修正。

由于鋼筋埋置在混凝土內(nèi)部，故直接采用環(huán)境溫度來計算支撐軸力是不準(zhǔn)確的，采用混凝土內(nèi)部鋼筋處的溫度較為合理。本工程連續(xù)測量7d，測量每天7∶00、10∶00、14∶00、18∶00環(huán)境溫度和混凝土內(nèi)部溫度，其中環(huán)境溫度為支撐表面溫度，內(nèi)部溫度由預(yù)埋在支撐內(nèi)部的PVC管內(nèi)測量得到，計算的支撐軸力結(jié)果見圖4和圖5。

圖4 ZCL-01傳感器測量軸力

圖5 ZCL-02傳感器測量軸力

由圖4和圖5可以看出：

1）混凝土內(nèi)部溫度和外部環(huán)境溫度差異較大，最大差距34.8%，混凝土內(nèi)部溫度相對于外部環(huán)境溫度有滯后性；混凝土內(nèi)部溫度變化量較外部環(huán)境溫度較小，比較穩(wěn)定；

2）由混凝土內(nèi)部溫度計算出來的鋼筋混凝土支撐軸力小于環(huán)境溫度計算出來的鋼筋混凝土支撐軸力且二者差異較大，最大差距34.5%；由環(huán)境溫度計算出來的鋼筋混凝土支撐軸力變化較為劇烈，由混凝土內(nèi)部溫度計算出來的鋼筋混凝土支撐軸力相對穩(wěn)定，變化量較小。

綜上所述，采用環(huán)境溫度對鋼筋混凝土支撐軸力進(jìn)行修正是不準(zhǔn)確的，與實際值差距較大，所以當(dāng)對鋼筋混凝土支撐軸力進(jìn)行溫度修正的時候應(yīng)采用混凝土內(nèi)部溫度。

4 結(jié)論

1）鋼筋混凝土支撐軸力計算時應(yīng)考慮溫度效應(yīng)，對軸力進(jìn)行溫度補償，否則將低估混凝土支撐的軸力。

2）對軸力進(jìn)行溫度補償時，應(yīng)該采用混凝土內(nèi)部溫度；由環(huán)境溫度計算出來的鋼筋混凝土支撐軸力比實際值大且明顯受環(huán)境溫度變化影響較大。

3）夏季施工時，建議增加混凝土支撐的保溫措施，減小環(huán)境溫度對支撐軸力的影響。□■

[1]李繼超.溫度對混凝土支撐軸力影響的探討[J].施工技術(shù)，2000，29（1）：60.

[2]鄭 剛，顧曉魯.考慮支撐-圍護(hù)樁-土相互作用的基坑支護(hù)水平支撐溫度應(yīng)力的簡化分析法[J].土木工程學(xué)報，2002，35（3）：87-89.

[3]吳 明，孫鳴宇，夏唐代，等.多層支撐深基坑中考慮支撐-圍護(hù)樁-土相互作用的水平支撐溫度應(yīng)力簡化計算方法[J].土木工程學(xué)報，2009，42（1）：91-94.

[4]吳長勝，田敬學(xué).基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力分析[J].西部探礦工程，2004，16（5）：17-18.

[5]陸培毅，韓麗君，于 勇.基坑支護(hù)支撐溫度應(yīng)力的有限元分析[J].巖土力學(xué)，2008，29（5）：1290-1294.

[6]艾智勇，蘇 輝.深基坑多層水平支撐溫度應(yīng)力的簡化計算方法[J].同濟大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2011，39（2）：199-203.

[7]魯智明，和再良，陳 剛.基坑工程監(jiān)測中鋼筋混凝土支撐軸力測試計算方法[J].上海地質(zhì)，2010，（1）：46-49.

[8]姚順雨，林立祥.深基坑支撐軸力測試與分析[J].建筑結(jié)構(gòu)，2012，（1）：112-114.

[9]潘 華，褚偉洪，戴加?xùn)|.壓彎荷載作用下鋼筋混凝土支撐溫度效應(yīng)分析[J].建筑結(jié)構(gòu)，2013，（18）：70-73.