钢筋混凝土支撑轴力影响因素研究

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摘 要：文章基于钢弦式钢筋应力计工作原理，对广西大学地铁车站深基坑第一道支撑中包含的钢筋混凝土支撑及钢支撑轴力进行对比分析，并通过有限元模拟对支撑轴力测试结果进行验证，从理论上分析影响混凝土支撑轴力的几种因素，得出实际钢筋混凝土支撑轴力约为测试结果的３０％。

关键词：钢筋混凝土；支撑轴力；收缩徐变；应力应变
随着我国基础建设的迅速发展，地铁车站、房屋建筑基础等深基坑工程建设也日益增多。

在深基坑工程的施工过程中，其支护结构的稳定性就显得极其重要，在现代信息化施工理念的指导下，对基坑支护结构及基坑周边土体、建构筑物等进行实时系统的监控成为保证基坑安全的重要手段，其中对支护结构的监测是整个监测系统中最为重要的内容之一。

因此，通过对支撑轴力的监测，可以及时掌握施工过程中支撑的受力状况，同时也可以大致反推围护结构（桩或墙等）的变形情况。

准确监测出支撑轴力的大小及其变化情况对整个基坑工程施工安全就显得非常重要。

目前对钢筋混凝土支撑轴力监测的常规方法是采用钢筋应力计测试出钢筋的应力，然后通过钢筋与混凝土共同工作、变形协调条件反算支撑的轴力。

大量现场测试结果表明，测试结果往往是设计值的２～３倍，甚至更大，而在工程中却没有发现支护结构任何失稳或破坏情况，这样就使得这一项监测工作就失去了实施的意义。

本文基于钢筋混凝土材料本身的特性并结合工程实例，对混凝土支撑轴力进行初步的分析。

１ 钢筋混凝土支撑轴力的测试与计算
采用钢筋应力计测试钢筋混凝土支撑轴力，一般预先在支撑内的钢筋笼四角或中间位置各埋设一组钢筋计，如图１所示，与支撑主筋焊接在一起。

通过现场采集钢筋计的频率，结合已测出的钢筋应力计的初始频率、厂家给出的率定系数及计算公式换算出被测钢筋的应力值，由钢筋计的应力反算支撑轴力的计算公式为：
式中：
Ｆ———支撑轴力，ｋＮ；
Ｅｃ，Ｅｔ———混凝土 和钢 筋 的弹性模量，ｋＮ／ｍｍ２
； σｔ———实测的钢筋平均应力，ＭＰａ，σｔ＝
σｉ———实测的钢筋应力；
ｎ———监测断面内钢筋计数量；
Ａ，Ａｔ———支撑截面面积和钢筋截面面积，ｍｍ２。

２ 工程实例 广西大学地铁车站深基坑采用地下连续墙加内支撑的支护体系，原设计中第一道支撑采用的是钢筋混凝土支撑，支撑间跨度约为９ｍ；二三道为钢管撑，跨度为３ｍ。

由于施工组织及现场因素的影响，第一道支撑在最后阶段有少量采用钢管撑代替。

第一道支撑布置及监测点位布置见图２。

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钢筋应力计的初始频率在支撑浇筑完成３０ｄ后采集得到。

由上图可见第一道支撑中左边部分采用钢管撑，并在Ｇ２、Ｇ４处分别布置了轴力监测点位，其测试方法为采用轴力计安装于钢支撑的固定端，由
频率仪直接测试并换算得出钢管撑的轴力。

采用轴力计测试钢支撑轴力的技术手段相对是比较成熟的，也是准确可信的。

广西大学站于２０１０年６月完成连续墙的浇筑，并于６月底进行降水开挖，至７月２０日挖至底板。

由于监测数据繁多，仅整理出具有代表性的Ｈ１及Ｈ４处测点得到的混凝土支撑轴力与Ｇ２及Ｇ４处钢支撑轴力进行比较分析（见表１）。

整理为图表形式如下：
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本站第一道钢筋混凝土支撑轴力设计值仅为８００ｋＮ，由钢筋计测试出的钢筋混凝土支撑轴力结果显示其轴力值早已超出设计值，甚至达到设计值的近３倍。

而由钢管撑的轴力计监测数据显示最大值为７００ｋＮ左右（平均两处监测结果），约为设计值的８８％。

从整个施工过程中的实际情况来看，基坑的整个支护体系是安全完好的。

由此可见钢筋混凝土支撑轴力监测的结果显然是不合理的。

３ 二维有限元模拟分析
３．１ 建立模型
采用ＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ有限元软件，对基坑长边中部的Ｚ５１处断面建立二维有限元分析模型，考虑土体、连续墙和支撑三者的共同作用，按工程实际模拟了开挖及各道支撑施加的过程。

周边土体范围取３．５倍基坑深度７０ｍ，土层采用此处天然地基分层，各层物理力学依照勘察报告取值。

荷载主要考虑周边建筑、地表车辆及堆积杂物等压力荷载，以及龙门吊等施工引起的附加荷载，模型中周边地表压力荷载考虑为均布力。

根据工程实际施工方法，将开挖工况分九个步骤：初始状态（位移清零）；浇筑地下连续墙；第一阶段开挖；第一道支撑（钢筋混凝土）；第二阶段开挖；第二道支撑（钢支撑）；第三阶段开挖；第三道支撑（钢支撑）；第四阶段开挖。

生成模型示意图如下：
３．２ 支撑轴力结果分析
三道支撑轴力有限元模拟结果见表２。

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第二道、第三道钢支撑轴力预警值分别为１５００ｋＮ和１６００ｋＮ，将第二道、第三道支撑轴力的实测数据与模拟结果对比可以验证模型的正确性。

由于篇幅所限，在此不进行列举说明。

由上表可见，从完成第一道支撑至完成第二道支撑期间轴力出现了一个快速上升期，在开挖至完成第三道支撑时出现轴力的峰值为６８８ｋＮ。

从峰值及轴力在整个施工过程中的变化趋势来看，模拟结果与第一道支撑中Ｇ２及Ｇ４的结果是较为吻合的，说明Ｇ２及Ｇ４及钢支撑轴力监测结果较Ｈ１及Ｈ４钢筋混凝土支撑轴力监测结果更为可信。

４ 钢筋混凝土支撑轴力监测结果影响因素分析
出现钢筋混凝土支撑轴力测试结果远大于设计值的情况，笔者认为主要是受到以下几方面因素的影响：
（１）混凝土弹性模量的取值不准确
混凝土本身是由多种材料混合而成，其成分是比较复杂的，它是存在微裂缝的多相材料，而并非理想的弹性材料。

实际上混凝土的弹性模量是随着其龄期增加而递增的一个变量，尤其是在早期，其变化速度是非常迅速的。

而我们在计算过程中往往是按照规范取得一个固定值，这显然只是一种简化而并不准确的方法。

（２）温度的影响
由于温度的变化会造成支撑整体的膨涨，温度高时自然比温度低时的轴力高，故测试温度与初始值测试温度相差越大，测出的轴力值与实际轴力相差越大。

在工程中，一方面可以通过温度补偿来做出修正；另外一方面可以通过每天定时测试以减小温差的办法来消除温度对轴力的影响。

（３）支撑存在弯矩
基坑在开挖后，基底土体卸载回弹，造成立柱的沉降，这样立柱将对混凝土支撑作用一个垂直于支撑轴力方向的荷载而产生弯矩，那么所测得的四处钢筋计应力不均匀，必然造成监测值与实际轴力存在差异。

（４）混凝土的收缩与徐变
混凝土体积是一直在收缩和徐变的，这种现象的发生一方面会增大支撑的整体变形；另一方面由于钢筋不发生收缩只存在徐变，且徐变速率也不及混凝土，这就提供了混凝土与钢筋产生相对错动的可能，然而钢筋与混凝土材料之间的粘结及咬合力作用，使得两者实际上是协调变形的。

即：若不考虑钢筋的影响，混凝土由于收缩与徐变可产生的纵向收缩量为Δ１，而由于钢筋本身徐变产生的收缩量相对很少可以忽略，在粘结和咬合力的作用下两者协调变形，混凝土实际上产生的收缩量仅为Δｘ，即钢筋给混凝土的附加应力使得混凝土少产生了（Δ１－Δｘ）的变形量；同时由于混凝土给钢筋的附加应力，钢筋也产生了Δｘ的压缩变形量，即在不施加外荷载的情况下，仅由混凝土的收缩徐变就可以对钢筋产生一个较大的应力和应变，也就造成了测试轴力结果偏大。

根据文献２和文献３得出收缩引起的应力相当于整个支撑轴力的１／３，徐变修正后轴力仅为原有轴力的４０％，故综合考虑收缩与徐变的影响，最终修正结果应该为原结果的２７％左右。

根据广西大学地铁车站钢支撑与混凝土支撑轴力的监测结果及模拟结果，可以看出最终钢支撑轴力（看为第一道支撑实际的轴力）仅为测出的混凝土支撑轴力的２９％左右，与以上修正值比较吻合。

故综合考虑结果准确性及工程安全性，笔者认为可将混凝土支撑轴力实测值的３０％视为混凝土支撑实际承受的轴力值。

５ 结语
本文根据钢弦式钢筋应力计的工作及测试原理，结合广西大学地铁车站第一道支撑中钢支撑和钢筋混凝土支撑轴力的对比分析得出以下结论：
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（１）钢筋混凝土支撑轴力的影响因素有混凝土弹性模量的取值不准确、混凝土的温度、支撑存在弯矩、混凝土的收缩与徐变等。

（２）考虑钢筋混凝土支撑轴力受混凝土收缩与徐变影响，可以将实测结果的３０％作为混凝土支撑的实际轴力值，为实际工程的监测分析提供参考。