地鐵車站鋼筋混凝土支撐軸力監測值修正研究

季國富

(福州軌道交通設計院有限公司 福建福州 350002 )

0 引言

地鐵車站基坑開挖時，鋼筋混凝土支撐軸力監測是施工現場安全風險監測的主要內容之一，是信息化施工的重要項目。通過對支撐軸力進行監測，可掌握支護結構的受力狀況，從而對基坑的安全狀態進行判斷，并在出現異常情況及時報警，以便采取必要的工程應急措施，保證基坑本身和周圍建筑物的安全，確保工程順利進行。

但在實際施工中，(全國各地)經常會發生鋼筋混凝土支撐軸力監測值超過設計預警值的情況，有的甚至會超出很多[1]。而大多數現場情況是，其他監測指標均比較正常(如圍護結構測斜、支撐撓曲變形、地面沉降等)，這些支撐并沒有發生顯著的變形，也沒有明顯的受力裂縫，軸力監測數值與結構表像不相符合。是監測數據不準確還是設計預警值過于保守？對此，現有文獻定性分析較多，尚缺乏定量分析資料，對后續指導施工操作性不足。基此，本研究擬對支撐軸力監測數據的各項誤差進行定量修正，并提出更合理的監測預警值。

1 工程概況

某地鐵終點站，采用地下一層側式站臺，標準段基坑寬35.6m～50.3m、深8.6m～10.7m、局部坑中坑深1.65m～5.65m。車站基坑圍護結構采用Φ800@1000鉆孔灌注樁+Φ800@550三重旋噴樁止水帷幕+兩道鋼筋混凝土支撐，局部坑中坑采用旋噴樁加固+放坡法施工，具體如圖1所示。

圖1 基坑圍護結構平面及剖面圖注：加黑者為本文討論的支撐

施工中，當主體基坑開挖至坑中、坑底部時，第二道混凝土支撐軸力監測發出紅色預警，軸力監測值達到14 887kN(表1)，遠超設計預警值(設計提供的軸力預警值為7147kN)，但其他監測指標均未見異常，混凝土支撐及腰梁并未出現明顯裂縫、支撐撓曲(水平和豎向)不明顯，圍護樁變形(測斜)也在設計允許范圍內。

表1 支撐軸力監測彈模影響修正表

筆者仔細分析了監測方法，查看了施工日志和設計文件，發現如下問題：其一，監測數值沒有根據施工的實際情況進行誤差修正，軸力監測數值偏高；其二，設計提供的軸力預警值相對于支撐的極限承載力偏低。

下文筆者分別就這兩個問題進行詳細論述。

2 對混凝土支撐軸力監測值的修正

2.1 目前混凝土支撐軸力監測值的測算方法及存在問題

2.1.1目前軸力監測方法

鋼筋混凝土支撐的軸力是由鋼筋和混凝土共同承擔的，即：

N總=N鋼+N砼=ε鋼×E鋼×A鋼+ε砼×E砼×A砼

式(1)[2]

以目前的工程監測技術水平，對鋼筋混凝土支撐的軸力監測和計算大多采用如下方法(該工程亦如此)：通過鋼筋計測量受力鋼筋的頻率→算出支撐中鋼筋的應力→算出鋼筋的應變→根據變形協調得出混凝土的應變→根據鋼筋應力和混凝土應變算出支撐的軸力[3]。

具體工程中，E鋼、A鋼、A砼是常量，ε鋼是根據鋼筋計監測換算出來的，并假定：

(1)E砼為常量，一般取設計值；

(2)ε砼=ε鋼(根據變形協調)；

將上述參數代入式(1)，這樣就計算出了支撐的軸力N。

2.1.2現有監測方法存在的問題

上述兩個假定有如下問題：

(1)E砼取設計值不符合該工程實際情況

從監測數據資料看，現場監測軸力計算采用的混凝土彈性模量Ec為設計值，即Ec=3.0×104MPa，而C30混凝土彈模要達到這個值一般在20℃養護條件下需要28d。施工日志反映，支撐在養護6d時即開始受力，環境溫度約為5～10℃，故此時混凝土彈模沒有達到設計值，因此N砼實際值比監測計算值要小。

資料表明[4]，混凝土齡期與彈模關系非常密切，如表2所示。

表2 混凝土彈性模量與齡期[4]

養護溫度對混凝土彈模的發展也有顯著影響[5]。當養護溫度低于10℃時，混凝土28d齡期的彈模一般只有設計值的90%。

該工程恰恰這兩種情況同時發生，一是混凝土支撐在養護6d即開始受力(基坑開挖)；二是當時為1月份最冷的幾天，環境溫度較低。因此，支撐混凝土的實際彈模小于設計值，計算混凝土軸力時需對此項影響進行修正。

在式(1)中，計算混凝土支撐監測軸力時ε砼采用ε鋼不符合實際情況[6]。

實際上，混凝土變形由3部分組成，包括彈性變形、徐變變形和收縮變形，即ε砼=ε彈性+ε徐變+ε收縮。由于該工程混凝土支撐受力時養護齡期較短(6d)，雖然鋼筋和混凝土的變形是協調的(即ε砼=ε鋼)，但由于早期混凝土收縮徐變影響較大(即ε徐變+ε收縮較大)，有時結構的累計徐變變形可達到同應力下彈性變形的1.5～3倍或更大，因此混凝土實際的受力應變ε彈性比ε鋼小，所以N砼實際值比監測計算值也要小。

綜上，根據監測數據計算的混凝土軸力偏大，也就是軸力監測值比實際值偏大，影響了監測值的準確性，必須進行定量修正[7]。

2.2 軸力監測值的定量修正

該地鐵車站混凝土支撐采用C30混凝土，支撐截面為800mm×800mm，支撐總長度為30.1m，豎向設置了2根格構柱，水平向設置2道混凝土系梁，如圖1所示。

2.2.1對混凝土彈性模量進行修正

表1可知，由于混凝土支撐受荷齡期較早，混凝土實際彈性模量比設計值低很多，由此引起的監測誤差在受荷第21d時達到3000kN，占比約20%。

2.2.2對混凝土徐變影響進行修正

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG D62-2012)計算徐變影響。具體步驟為：根據加載齡期t0和計算齡期t計算出混凝土的徐變系數φ(t,t0)。→根據徐變系數計算出砼的彈性應變，即：ε彈性=ε砼/(1+φ(t,t0))→推算出砼支撐軸力N砼和支撐軸力N總。

表3為支撐軸力監測徐變影響修正表。

表3 支撐軸力監測徐變影響修正表

由表3可知，由于混凝土支撐受荷齡期偏早，混凝土徐變影響很大，由此引起的監測誤差在第21d時達到4318kN，占比36.3%。

2.2.3對混凝土收縮影響進行修正

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG D62-2012)計算收縮影響，與計算徐變影響類似，具體步驟為：根據收縮開始齡期ts和計算時齡期t計算出砼的收縮應變εcs(t,ts)→計算出混凝土的彈性應變ε彈性=ε砼-εcs→推算出砼軸力和支撐軸力[8]，如表4所示。

表4 支撐軸力監測收縮影響修正表

由表4可知，混凝土支撐在受荷第21d收縮系數為0.3291×10-4，收縮變形對監測軸力的影響約為648kN，占比約為8.6%。

2.2.4各項修正(混凝土彈模、混凝土徐變收縮)合計

按照2.2.1～2.2.3的方法，對早期受荷的混凝土支撐軸力影響較大的因素逐一進行修正，即先對彈性模量影響進行修正，再采用彈模修正后的軸力對徐變影響進行修正，再根據徐變修正后的軸力對收縮影響進行修正，最終得到更加“真實”的支撐軸力值，結果如表5所示。

表5 支撐軸力監測修正匯總表

計算表明，砼支撐在加載第21d監測軸力顯示為148 87kN，經各項修正后的軸力為6922kN，誤差達53%，如圖2所示。

圖2 砼支撐軸力監測修正匯總圖

3 關于混凝土支撐軸力預警值(N預警)的設定問題

3.1 目前軸力預警值存在的問題

目前，軸力預警值一般由設計單位提供，但預警值的標準沒有相應規范進行明確，各家設計單位把握上不盡相同。

以該工程為例，設計單位提供的預警值為：在設計工況下，支撐所受軸力的設計值。也就是說，在施工工況與設計工況完全符合的情況下，監測最后也會報警。而對于實際施工工況比設計工況差時(如施工不規范或實際地質情況比地勘情況更糟)，那就必然要提早報警了。

筆者認為，這個預警值值得商榷。它反映的是設計與施工情況的符合問題，沒有準確反映結構的安全問題。很多情況下，雖然實際施工情況比設計“不理想”，但并不代表結構就處于不安全狀態，因為設計總是有一定安全富余度。

3.2 工程混凝土支撐承載力設計值計算

已知條件前文已述，計算步驟如下：應用有限元軟件sap2000計算支撐的長度系數μc=0.425→根據《混規》第6.2.15條查表得φ=0.87→計算支撐極限承載力為14 581kN。

理論上，該混凝土支撐軸力超過14 581kN時，支撐才會出現失穩破壞[9]。為安全起見，筆者推薦，監測安全預警值初始值可選極限承載力的80%，即14 581×80%=11 665kN。

3.3 工程混凝土支撐監測預警值分析

工程混凝土支撐監測軸力值為14 887kN，經彈模和收縮徐變修正后的準確軸力為6922kN，混凝土支撐的極限承載力為14 581kN，混凝土支撐軸力設計值(即原軸力預警值)為7147kN。上述表明：

(1)混凝土支撐的真實軸力(6922kN)小于軸力設計值(7147kN)，表明施工狀況在設計工況范圍之內。

(2)混凝土支撐的真實軸力(6922kN)遠小于支撐極限承載力(14581kN)，表明現有施工狀況下支撐結構處于安全狀態。

(3)如果支撐結構的監測預警值按筆者推薦的方法進行設定，即設定極限承載力的80%(11 665kN)，則混凝土支撐的真實軸力(6922kN)小于監測報警值，監測不會報警。

圖3為該工程各項軸力對比示意。

圖3 該工程各項軸力對比

現場實際情況混凝土支撐并無異樣，未出現明顯撓度、變形或裂縫等征兆，表明對監測軸力值進行的上述修正是合理的。

4 結論及建議

(1)地鐵車站鋼筋砼支撐在受荷齡期較早時，混凝土的彈性模量、收縮徐變影響很大(誤差有時可達50%)，不可忽略，在軸力監測時需要進行修正。

(3)施工監測各項參數取值應與施工的實際情況相吻合，不吻合時要進行必要的修正。如：彈性模量實際值應根據同期混凝土試塊試驗獲取，徐變即收縮影響可根據規范公式并結合工程經驗計算獲取。

(4)當軸力監測數據異常時，應認真分析原因，并結合其他監測項目(如測斜、位移等)多方面核查、互相驗證，以獲得準確可靠信息，并指導后續工程推進。

(5)建議地鐵車站鋼筋混凝土支撐在達到設計要求后(強度、彈模等)方可進行后續施工。

參 考 文 獻

[1] 張哲.基坑混凝土支撐軸力監測數據異常情況分析與探討[J].隧道建設,2016,36(08):976-981.

[2] 張啟輝,朱葒,趙錫宏.考慮收縮與溫度應力的鋼筋混凝土支撐軸力研究[J].巖土工程技術,2000(01):51-54.

[3] 李文峰.對地鐵基坑混凝土支撐軸力監測精準性的探討[J].隧道建設,2009,29(04):424-426.

[4] 林星平.混凝土彈性模量及徐變度的計算[J].云南水力發電, 1999 (04) :15-18.

[5] 陳彥博.云南高速公路C50混凝土彈性模量影響因素分析與實驗研究[D]. 昆明：云南大學 2016

[6] 孫璨. 鋼筋混凝土結構長期徐變收縮效應研究應用[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學,2010.

[7] 段飛,趙治海,盛云鷗.深基坑鋼筋混凝土支撐軸力監測對比試驗研究[J].陜西建筑,2016(01):33-36.

[8] 張啟輝,朱葒,趙錫宏.考慮收縮與溫度應力的鋼筋混凝土支撐軸力研究[J].巖土工程技術,2000(01):51-54.

[9] 梅若非. 鋼支撐與混凝土支撐效果實例分析[D].武漢：武漢工程大學,2016.

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