鋼筋混凝土支撐軸力計算方法優化研究

劉 陽,何 鑫

(1.黃河勘測規劃設計研究院有限公司,河南 鄭州 450003; 2.山東黃河河務局德州黃河河務局,山東 德州 251100)

1 概述

隨著黃河流域生態保護與高質量發展上升為國家戰略[1],沿黃城市跨黃基礎設施建設加快推進,出現了大量超深、超大基坑工程。然而,黃河兩岸地層穩定性差、地下水位高等不利地質條件對基坑施工產生巨大安全隱患。因此,基坑監測的實施在保障基坑工程和施工人員人身安全方面尤為重要。但是,在實際監測中,經常出現混凝土支撐軸力值遠大于軸力設計值，同時其他監測項目均小于設計值的情況,這種異常現象給參建各方帶來許多困擾[2],影響了參建各方對深基坑工程安全的判斷。

GB 50911—2013城市軌道交通工程監測技術規范中明確要求結構應力監測應排除溫度變化的影響,且鋼筋混凝土結構應排除混凝土收縮、徐變以及裂縫的影響[3]。在實際工程中,溫度變化對軸力值的影響可以通過固定監測時間或者通過傳感器的溫度測量模塊等方法進行消除修正;混凝土收縮對軸力值的影響可以通過取基坑開挖前三天觀測頻率平均值作為初始值的方法進行消除;但是,混凝土徐變對軸力值的影響消除方法規范并未給出,相關文獻也沒有提出相應的修正方法,因此造成實際計算的混凝土支撐軸力值遠遠大于理論值的情況。結合濟濼路穿黃隧道工程基坑監測的具體情況,提出了考慮混凝土徐變影響的優化計算方法,通過優化前后的軸力值與設計值進行對比分析,得出了相應結論,為后續工程中出現類似問題提供指導。

2 支撐軸力計算方法

2.1 常規計算公式

目前,計算混凝土支撐軸力通常采用鋼筋計或者應變計來監測混凝土支撐在施工過程中的鋼筋或者混凝土的應變變化,通過彈性模量建立應力應變關系[4]。混凝土支撐軸力計算公式為:

(1)

(2)

2.2 優化計算公式

影響混凝土支撐徐變的主要因素有混凝土支撐截面積、混凝土強度、開挖時齡期、開挖過程中支撐應力水平、周邊環境等等。在支撐正常工作狀態下,混凝土應力通常不超過0.5fc,可以假定徐變產生的應變與應力成線性關系[5]。參考GB 50010—2010混凝土結構設計規范中給出的計算預應力混凝土徐變公式,得出排除混凝土徐變影響的支撐軸力優化計算公式為:

(3)

(4)

(5)

(6)

φ(t,t0)=φ0βc(t,t0)

(7)

φ0=φXRHβ(fcm)β(t0)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

3 濟濼路黃河隧道工程基坑鋼筋混凝土支撐算例

3.1 工程概況

濟濼路黃河隧道工程軌道交通與市政道路合建段位于濟濼路與濼口南路交叉口,沿濟濼路呈南北走向。基坑采用明挖法施工,最大開挖深度約為32.5 m,支護結構采用地下連續墻+內支撐,內支撐采用鋼支撐與混凝土支撐組合形式。基坑開挖涉及到的土層從上到下主要有:人工填土、粉質黏土、黏質粉土。地下水類型為第四系松散覆蓋層的孔隙潛水,埋藏深度0.89 m～1.30 m。含水層主要為人工填土、黏質粉土、粉質黏土、粉細砂等。

3.2 現場數據分析

以本工程第四道一根鋼筋混凝土支撐為例,支撐截面為1 200 mm×1 000 mm,配筋情況為:上下各14根28鋼筋,左右各4根25鋼筋(見圖1)。

混凝土支撐相關參數如表1所示。

表1 混凝土支撐參數表

優化計算公式計算變量見表2。

表2 優化計算公式計算變量表

根據不同監測時間計算出的徐變系數代入優化計算公式(2)中,得出不同監測時間實際受力對支撐產生的應變量。

分別采用常規計算公式和優化后計算公式繪制支撐軸力-時間曲線,如圖2所示。從圖2可以看出,軸力經過修正后,在基坑整個開挖過程中軸力值均小于軸力設計,并且比較接近軸力標準值,與設計計算支撐實際受力比較吻合。

4 結論

1)基坑工程混凝土支撐軸力受到影響因素較多,其中,混凝土徐變是最主要的影響因素。2)通過采用優化后的計算公式能有效消除徐變對混凝土產生的非彈性變形,使支撐實際受力計算更準確。3)文中混凝土支撐軸力優化計算方法在工程實踐中得到普遍應用,取得了良好的效果。