一種鋼筋混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)新方法

陳大江，丘北劉，何 欽，張記峰

（廣東省建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測(cè)總站有限公司 廣州 510500）

0 引言

隨著社會(huì)、基礎(chǔ)建設(shè)的大力發(fā)展，各大城市的房屋建筑基坑、地鐵等地下結(jié)構(gòu)越建越深，部分基坑設(shè)計(jì)深度甚至超過30 m，對(duì)支護(hù)體系的穩(wěn)定性提出了更高的要求。鋼筋混凝土內(nèi)支撐是基坑支護(hù)體系的重要組成部分，隨著城市建設(shè)的發(fā)展，城區(qū)用地越發(fā)緊張，加上近年來城市人口日益增多，為了滿足相應(yīng)的城市配套設(shè)施，很多綜合商業(yè)、住宅樓由地上向地下發(fā)展。因此，內(nèi)支撐在城區(qū)的基坑建設(shè)過程中使用率越來越高。支撐軸力是判定支撐支護(hù)體系甚至整個(gè)基坑安全的重要指標(biāo)，《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：GB 50497—2019》［1］明確指出，支撐軸力在一二級(jí)基坑工程中為應(yīng)測(cè)項(xiàng)。

然而，目前實(shí)際監(jiān)測(cè)工作中，支撐軸力的監(jiān)測(cè)值往往比設(shè)計(jì)值要大［2-4］，在很多的實(shí)際監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中，甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)報(bào)警值，但附近支護(hù)體系未有出現(xiàn)裂縫或是傾斜等異常情況；且在支撐軸力報(bào)警區(qū)域內(nèi)的其他監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，比如冠梁的水平位移，支護(hù)樁的深層水平位移、周邊地表沉降、周邊地下水位等監(jiān)測(cè)項(xiàng)的監(jiān)測(cè)值亦處于設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)。為此，本文也對(duì)相關(guān)研究進(jìn)行了調(diào)研：潘華［5］和周文等人［6］研究發(fā)現(xiàn)影響鋼筋混凝土支撐軸力精度的主要因素有混凝土彈性模量、混凝土溫度、支撐彎矩、混凝土的收縮與徐變等；蔡書勇［7］認(rèn)為混凝土產(chǎn)生裂縫后，再采用傳統(tǒng)的軸力計(jì)算公式計(jì)算支撐軸力已不合適；吳連祥等人［2］認(rèn)為實(shí)測(cè)軸力往往達(dá)設(shè)計(jì)軸力的2～3 倍，甚至更高，實(shí)際軸力僅是實(shí)測(cè)軸力的40%左右，這樣的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)已失去指導(dǎo)意義，容易造成設(shè)計(jì)、施工的無所適從，妨礙設(shè)計(jì)水平的提高，必須盡快尋找切合實(shí)際的監(jiān)測(cè)替代方法，或?qū)ΤＳ玫谋O(jiān)測(cè)方法進(jìn)行改進(jìn)；陳進(jìn)河等人［8］和肖振燁等人 采用修正公式對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行修正，剔除了混凝土收縮、徐變及應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系非線性的影響，修正后的軸力更加符合實(shí)際；李懷良等人［10］提出了一種加權(quán)平均應(yīng)變計(jì)的混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)新方法。由此可見，在混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)方面，普遍存在監(jiān)測(cè)不準(zhǔn)確的情況，甚至有些學(xué)者開始研究新的替代方法。

為優(yōu)化支撐軸力的監(jiān)測(cè)過程以提升軸力監(jiān)測(cè)精度；在上述研究基礎(chǔ)上，本文提出一種以拉線位移計(jì)、激光位移計(jì)測(cè)量鋼筋混凝土支撐梁的軸向變形量，再結(jié)合支撐梁的截面積、彈性模量計(jì)算支撐軸力的監(jiān)測(cè)新方法。

1 傳統(tǒng)混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)方法

1.1 支撐軸力的監(jiān)測(cè)方法

目前對(duì)鋼筋混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)的常用方法是把鋼筋應(yīng)力計(jì)、混凝土應(yīng)變計(jì)等傳感器埋設(shè)在鋼筋混凝土支撐內(nèi)，或是把混凝土表面應(yīng)變計(jì)貼在混凝土支撐的表面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過測(cè)定傳感器的頻率變化得出鋼筋混凝土支撐梁的應(yīng)變量，再結(jié)合鋼筋混凝土支撐的鋼筋和混凝土的彈性模量及鋼筋混凝土支撐的截面積計(jì)算得出支撐軸力。

1.1.1 支撐軸力布設(shè)方式

⑴埋設(shè)鋼筋應(yīng)力計(jì)時(shí)，先將配套的連接鋼筋與鋼筋計(jì)通過螺紋連接，切斷主筋，把連接好的鋼筋計(jì)焊接到主筋上；焊接時(shí)采用水流冷卻措施，以防溫度過高損壞電磁線圈或改變鋼弦性能，影響監(jiān)測(cè)精度，且應(yīng)確保鋼筋計(jì)與被測(cè)鋼筋在同一軸線上，焊接長(zhǎng)度應(yīng)不少于5倍鋼筋直徑且雙面焊接?；蚩稍谥鹘钌霞庸ぢ菁y，與鋼筋應(yīng)力計(jì)通過螺紋直接連接。

⑵埋設(shè)混凝土應(yīng)變計(jì)時(shí)，可用鐵絲直接綁扎在主筋上，并牢固固定。

⑶對(duì)于混凝土支撐，支撐軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)每組應(yīng)埋設(shè)4 個(gè)鋼筋應(yīng)力計(jì)或混凝土應(yīng)變計(jì)，分別埋設(shè)在混凝土支撐截面4個(gè)側(cè)邊中心位置。同組鋼筋計(jì)宜分別采用4 種不同顏色的導(dǎo)線，不同混凝土支撐的同向側(cè)邊埋設(shè)的鋼筋計(jì)應(yīng)采用同一顏色的導(dǎo)線，如圖1所示。

圖1 混凝土支撐鋼筋計(jì)布置示意圖Fig.1 Layout of Concrete Support Reinforcement Meter

1.1.2 支撐軸力計(jì)算公式

鋼筋計(jì)量測(cè)混凝土支撐軸力的計(jì)算公式和應(yīng)變計(jì)量測(cè)混凝土支撐軸力的計(jì)算公式分別由式⑴和式⑶給出。

式中：Nc為支撐軸力（kN）；Ec、Et分別為混凝土和鋼筋的彈性模量（kN/mm2）；Ac、At分別為混凝土截面積和鋼筋截面面積（mm2）；σt為鋼筋計(jì)平均應(yīng)力（kN/mm2）；kj為鋼弦式鋼筋計(jì)/應(yīng)變計(jì)常數(shù)（kN/Hz2）；fji為鋼筋計(jì)/應(yīng)變計(jì)測(cè)量自振頻率（Hz）；fj0為鋼筋計(jì)/應(yīng)變計(jì)測(cè)量自振頻率（Hz）；Ajs為第j個(gè)鋼筋計(jì)截面積（mm2）。

1.2 支撐軸力監(jiān)測(cè)方法的弊端

由支撐軸力的計(jì)算式⑴和式⑶可知，鋼筋混凝土支撐軸力的計(jì)算是把測(cè)得的應(yīng)變值直接乘以鋼筋混凝土支撐的截面積和鋼筋混凝土的彈性模量，在計(jì)算的過程中，未考慮溫度變化、混凝土收縮、徐變等因素影響，因此計(jì)算出來的支撐軸力要比設(shè)計(jì)值偏大。支撐軸力監(jiān)測(cè)值大于實(shí)際值，會(huì)給設(shè)計(jì)方復(fù)核基坑支護(hù)體系安全數(shù)據(jù)造成一定的影響，既浪費(fèi)人工成本也浪費(fèi)時(shí)間成本。

另外，目前鋼筋混凝土支撐軸力的常用監(jiān)測(cè)方法是在混凝土支撐里面埋設(shè)傳感器，該種監(jiān)測(cè)模式在施工過程中很容易受到影響，如傳感器或是信號(hào)線在混凝土澆筑振搗時(shí)遭到破壞；若傳感器遭到破壞，基本無法進(jìn)行補(bǔ)救，考慮到支撐受自重影響，上下截面受力不均勻，單一傳感器破壞后，在軸力計(jì)算過程中一般取完好的對(duì)角傳感器監(jiān)測(cè)值進(jìn)行計(jì)算。若支撐體系受力不均勻，支撐軸力偏心會(huì)造成計(jì)算出來的軸力值與設(shè)計(jì)值偏差較大。

2 支撐軸力監(jiān)測(cè)新方法

前文所述皆為傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手段，通過混凝土支撐的應(yīng)變、支撐截面積、鋼筋混泥土彈性模量計(jì)算出鋼筋混凝土支撐軸力；然而，測(cè)量鋼筋混凝土支撐應(yīng)變除傳感器外，亦可通過測(cè)量鋼筋混凝土支撐梁的長(zhǎng)度變化來計(jì)算出支撐梁的應(yīng)變量。李兆源［11］的研究中提出：除電測(cè)法外，還可通過傳統(tǒng)測(cè)量方法測(cè)量支撐梁上某兩點(diǎn)之間開挖前和開挖后的距離，從而計(jì)算出支撐的應(yīng)變量。但文獻(xiàn)［11］采用的是傳統(tǒng)的全站儀測(cè)量支撐兩端距離，因精度原因，采用全站儀難以較好地測(cè)量出鋼筋混凝土的支撐軸力變化情況。

在前者的基礎(chǔ)上，本文對(duì)支撐軸力監(jiān)測(cè)新方法進(jìn)一步的研究，采用拉線位移計(jì)、激光位移計(jì)等監(jiān)測(cè)支撐兩端變形，算出支撐應(yīng)變，并分析這2種監(jiān)測(cè)儀器的精度及適用性。

2.1 拉線位移計(jì)法

擬采用拉線位移計(jì)測(cè)量混凝土支撐梁的長(zhǎng)度，在混凝土支撐梁的一端固定傳感器，采用1.5 mm粗的鋼絲繩水平連接在支撐梁另一端的固定點(diǎn)。當(dāng)支撐梁發(fā)生軸向變形時(shí)，拉線位移計(jì)的拉繩會(huì)隨著支撐梁的變形而發(fā)生伸展和收縮，用鋼絲繩發(fā)生的距離變化量△與兩端點(diǎn)的距離L計(jì)算得出鋼筋混凝土支撐梁的應(yīng)變量ε，拉線位移計(jì)如圖2所示。

圖2 拉線位移計(jì)Fig.2 Wire Displacement Meter

拉線位移計(jì)參數(shù)：測(cè)量行程0～6 000 mm，分辨力0.003 mm/脈沖，精度：0.05%FS，工作溫度-25～+85 ℃。

2.2 激光位移計(jì)法

激光位移計(jì)利用激光發(fā)射點(diǎn)和光斑位置采集儀之間的相對(duì)位移，結(jié)合機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)與自平衡校正功能來實(shí)現(xiàn)高精度監(jiān)測(cè)，測(cè)量出鋼筋混凝土支撐梁的兩點(diǎn)間距離變化量，工作原理如圖3所示。

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

激光位移計(jì)技術(shù)參數(shù)：水平位移量程0～100 m，水平位移精度0.5 mm。

2.3 支撐軸力監(jiān)測(cè)新方法的測(cè)量誤差分析

目前支撐軸力監(jiān)測(cè)采用的是間接監(jiān)測(cè)方法，通過監(jiān)測(cè)傳感器測(cè)得混凝土支撐梁的應(yīng)變，而后根據(jù)材料力學(xué)計(jì)算公式算出支撐軸力。而混凝土支撐梁的應(yīng)變不僅可以通過傳感器測(cè)出，亦可以通過監(jiān)測(cè)混凝土支撐梁軸向變形計(jì)算出。假設(shè)混凝土支撐梁的初始長(zhǎng)度為L(zhǎng)0，Ln為第n次測(cè)量的支撐長(zhǎng)度，則混凝土支撐梁的應(yīng)變量為：

設(shè)L0誤差為a0，Ln的誤差為an，那么，計(jì)算出的混凝土支撐梁的軸力誤差等于：

因a0=an，化簡(jiǎn)得，△= 2·EA·a0/L0，由式⑺可知，當(dāng)支撐梁的長(zhǎng)度越長(zhǎng)、位移測(cè)量精度越小，則軸力誤差值越小。

若采用拉線位移計(jì)進(jìn)行測(cè)量，且支撐截面為0.8 m×0.8 m，按最大量程計(jì)算，則：

測(cè)量中誤差= 2×EA×0.05%=13 574 kN

若采用激光位移計(jì)進(jìn)行測(cè)量，按最大量程100 m計(jì)算，則：

測(cè)量中誤差= 2×EA×0.5/105=135.74 kN

由上述兩款設(shè)備的測(cè)量中誤差來看，拉線位移計(jì)因?yàn)榱砍毯途仍?，達(dá)不到目前軸力監(jiān)測(cè)的精度要求。

參考位移觀測(cè)中的對(duì)于新方法的誤差要求，測(cè)定中誤差需在變形允許值的1/10～1/20 以下［13］，由此可以計(jì)算出支撐梁軸力的允許值，然后在實(shí)際工程中，把支撐軸力設(shè)計(jì)容許值與允許值進(jìn)行對(duì)比，若支撐軸力設(shè)計(jì)容許值大于允許值，則可以采用激光位移計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，反之，若支撐軸力設(shè)計(jì)容許值小于允許值，則不適合采用激光位移計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

以50 m 長(zhǎng)而截面為1 m×1 m 的支撐為例，根據(jù)上述計(jì)算公式計(jì)算出的測(cè)量中誤差為424 kN。若支撐軸力設(shè)計(jì)容許值超過8 480 kN（424 kN 的20倍），則采用激光位移計(jì)測(cè)量支撐軸力的精度能夠滿足測(cè)量需求。

3 結(jié)論

為提高鋼筋混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，本文提出一種采用拉線位移計(jì)、激光位移計(jì)測(cè)量鋼筋混凝土支撐梁的軸向變形量來計(jì)算軸力的新方法；并通過誤差驗(yàn)算，本文初步驗(yàn)證了采用激光位移計(jì)測(cè)量鋼筋混凝土支撐軸力的可行性。本文所得主要結(jié)論如下：

⑴采用新方法的測(cè)量精度與支撐長(zhǎng)度與位移測(cè)量精度有較大的關(guān)系，位移測(cè)量精度越高、支撐長(zhǎng)度越長(zhǎng)則鋼筋混凝土支撐軸力誤差越小。

⑵根據(jù)與支撐軸力設(shè)計(jì)容許值的對(duì)比，能計(jì)算出新方法的適用性。如支撐長(zhǎng)50 m，支撐截面為1 m×1 m，若支撐軸力設(shè)計(jì)容許值超過8 480 kN，則采用激光位移計(jì)測(cè)量鋼筋混凝土支撐軸力是可行的。

⑶新方法可以避免應(yīng)力集中引起的測(cè)量偏差。

由于缺乏現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)支撐，本文仍然需要進(jìn)一步的進(jìn)行研究與探討。雖然缺乏現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際數(shù)據(jù)，但是從理論的角度出發(fā)，采用激光位移計(jì)直接測(cè)量混凝土支撐軸力的軸向變形量來計(jì)算混凝土支撐的應(yīng)變值，從而結(jié)合混凝土支撐梁的截面積、彈性模量來計(jì)算支撐軸力的方法，在現(xiàn)實(shí)工程應(yīng)用中是值得推廣的。