一种钢筋混凝土支撑轴力计算方法的优化研究_赵骕.pdf

广东土木与建筑GUANGDONG ARCHITECTURE CIVIL ENGINEERING2023年3月第30卷 第3期MAR 2023Vol.30 No.3DOI:10.19731/j.gdtmyjz.2023.03.013作者简介：赵骕（1969-），男，大学本科，高级工程师，主要从事工程勘察、测量工作。E-mail：0引言近些年来，随着我国城市化进程加快，基础设施建设的推进也随之加快，建构筑物往“高大紧深”的方向不断发展，基坑支护在基坑开挖中的作用也越发突出1-2。其中钢筋混凝土支撑是基坑支护的重要组成部分，对支撑轴力进行有效监测能为判断基坑安全提供重要依据。但目前混凝土支撑轴力监测仍是基坑监测的难点，相关研究表明，目前混凝土支撑轴力监测值与实际值偏差较大3-5。李兆源6研究发现在实际监测过程中，现有的支撑轴力计算方法使混凝土的支撑轴力理论计算值远小于其实际监测值，因此现有的计算方法不利于判断基坑支护的工作状态和安全性。为此一些学者根据影响混凝土支撑轴力的因素，如温度、时间效应、初始频率、混凝土徐变与收缩等，针对其中一种或多种对混凝土支撑轴力计算方法进行优化，戴远俊等人7通过对轴力影响较大的几种非荷载因素进行分析，并结合现有的收缩与徐变公式对支撑轴力计算进行修正；刘阳等人8通过对相关工程监测数据的分析，提出消除混凝土徐变对轴力值的影响，来优化钢筋混凝土支撑轴力计算方法；吴增伟等人9通过对基坑设计中存在的问题进行分析，利用变形协调原理得到混凝土应力，并对混凝土支撑轴力的计算方法进行了相应改进；吴增伟等人10认为应该剔除部分由于混凝土本身发生收缩变形产生的储存在混凝土内部的初始应力，从而才能得到准确的初始频率；肖振烨等人11选择CEB90模型，通过对非荷载因素进行应变修正得出支撑轴力的计算公式；钟思成12以某广州深基坑为研究对象，讨论了时间效应对混凝土收缩、徐变的影响，进而影响了支撑轴力的监测结果。已有研究主要通过某单一因素或多种因素共同作用来对支撑轴力计算公式进行修正，但是较少研究考虑到混凝土受压的应力与应变关系对支撑轴力监一种钢筋混凝土支撑轴力计算方法的优化研究赵骕1，王伟亮2，李君2，张英颂3，林悦铭2，何钦2（1、广东省建筑设计研究院有限公司广州 510010；2、广东省建设工程质量安全检测总站有限公司广州510500；3、珠海市建设工程质量监测站广东珠海519015）摘要：混凝土支撑是深基坑工程重要的支护构件，其轴力观测值是判断基坑支护体系安全性的重要依据。为提高在实际工程中支撑轴力测量值的准确性，改善传统测量方法计算得出的支撑轴力观测值往往与施工进度或理论计算值不匹配的现状。以混凝土应力、应变呈非线性变化为前提，推导2种混凝土受压条件下应力与应变的关系公式，来实现支撑轴力计算的优化。并通过室内足尺寸试验验证得到：轴力计算中，采用混凝土轴心抗压强度平均值优于采用混凝土强度设计值，采用优化的计算方法计算得到的轴力值比传统方法计算值更接近实际值且偏差在10%以内。关键词：深基坑工程；钢筋混凝土支撑；支撑轴力测量；混凝土应力-应变关系；足尺寸室内试验中图分类号：TU198+.2文献标志码：A文章编号：1671-4563（2023）03-054-03An Optimization Study of a Method for Calculating the Axial Force ofAn Optimization Study of a Method for Calculating the Axial Force ofReinforced Concrete SupportsReinforced Concrete SupportsZHAO Su1，WANG Weiliang2，LI Jun2，ZHANG Yingsong3，LIN Yueming2，HE Qin2（1、Guangdong Architectural Design and Research Institute Co.，Ltd.Guangzhou 510010，China；2、Guangdong Construction Engineering Quality Safety Inspection Station Co.，Ltd.Guangzhou 510500，China；3、The Construction Quality Supervision and Inspection Station of ZhuhaiZhuhai 519015，China）AbstractAbstract：Concrete support is an important support component in deep foundation pit engineering，and its observated values of axialforce is an important basis for judging the safety of foundation pit support system.In order to improve the accuracy of the measured valueof the supporting axial force in the practical engineering，changing the situation that the observed value of support axial force calculated bytraditional measurement methods often mismatch the construction progress or theoretical calculation value.Based on the premise that the stressand strain of concrete members show nonlinear changes under compression condition，the relationship formula of stress and strain under twoconcrete strength conditions is derived，and the calculation of support axial force is optimized.The results are verified by the indooor fullscale test.In the calculation of axial force，the average value of concrete axial compressive strength is better than the design value of concrete strength.The calculated axial force value after optimization is closer to the actual value than the traditional method value and the deviation is within 10%.Key wordsKey words：deep foundation pit；reinforced concrete；supporting axial force measurement；stress-strain relationship of concrete；indoorfull scale test54赵骕，等：一种钢筋混凝土支撑轴力计算方法的优化研究MAR 2023 Vol.30 No.32023年3月 第30卷 第3期测值的影响。混凝土结构（上册）混凝土结构设计原理（第七版）13认为混凝土单轴受压时，内部结构发生变化的重要力学标志就是混凝土应力-应变曲线的形状和特征。李朋辉14认为混凝土受力与变形的关系可以通过混凝土弹性模量反映，所以可以用混凝土弹性模量对支撑轴力进行计算。为提高混凝土支撑轴力监测值的准确性，本文在相关研究的基础上，通过混凝土受压的应力与应变关系对钢筋混凝土支撑轴力的计算方法进行优化。1常规支撑轴力计算方法及其目前存在的问题1.1常规支撑轴力计算方法现今工程一般通过埋设钢筋计和应变计两种元件对钢筋混凝土支撑轴力进行监测，应变计根据工作原理可分为振弦式应变计、差阻式应变计、光纤光栅应变计、电阻式应变片，按安装方式可分为埋入式应变计和表面式应变计6。其中较常用的是埋入振弦式应变计，其工作原理是通过自身振弦的频率变化来计算得出应变计所受作用力的大小以及混凝土的支撑轴力。其中混凝土支撑轴力计算公式为：c=1nj=1nkj()f2ji-f2j0Nc=c（EcAc+EtAt）式中：Nc为支撑轴力（kN）；Ec、Et为混凝土和钢筋的弹性模量（kN/mm2）；Ac、At为混凝土截面积和钢筋截面面积（mm2）；kj为钢弦式钢筋计/应变计常数（kN/Hz2）；fji为应变计测量自振频率（Hz）；fj0为应变计测量自振频率（Hz）。1.2目前存在的问题根据式和式，支撑轴力计算先是通过传感器测量结果计算出支撑应变；后根据支撑轴力等于应变乘以弹性模量得到应力；最后将应力乘以截面面积算出支撑轴力。由此可知，目前是通过默认作为定值的弹性模量得到相应的应力。但实际上，文献 13 认为混凝土不是弹性材料，混凝土受压应力与应变关系为一条曲线，在不同的应力阶段，应力与应变之比是变化量，故只有当混凝土应力很低的时候，它的弹性模量与变形模量值才默认为近似相等。因此在常规计算方法中，使用弹性模量计算支撑轴力，会导致计算结果不准确。章丹峰等人15认为混凝土的龄期、应力大小、作用时间和材料等因素会对混凝土弹性模量产生影响，并通过分析得出应变乘以混凝土弹性模量算得的应力与支撑轴力偏大。因此，根据上述公式计算出的混凝土支撑轴力监测值与实际值有偏差。2优化的支撑轴力计算方法根据 混凝土结构设计规范：GB 50010201016中的混凝土受压的应力与应变关系公式，假定正截面应变保持平面、不考虑混凝土的抗拉强度，选取混凝土强度等级C50作为临界点，对混凝土支撑轴力计算公式进行优化，则混凝土支撑轴力计算公式为：Nc=cAc+cEtAt 当混凝土强度等级小于或等于C50时，计算出混凝土压应变00.002，取为0.002，则可根据式得出混凝土压应变为c时的混凝土压应力、支撑轴力：c=fc|1-()1-c0.0022 当混凝土强度等级大于C50时，计算出混凝土压应变值0，则可根据式和式得出混凝土压应变为c时的混凝土压应力、支撑轴力：n=2-160()fcu,k-500=0.002+0.5()fcu,k-50 10-5c=fc|1-()1-c0n式中：c为混凝土压应力（kN/mm2）；fcu，k为混凝土立方体抗压强度标准值（Hz）；fc为混凝土轴心抗压强度设计值（MPa）；0为混凝土压应力达到fc时的混凝土压应变，当计算的00.002时，取为0.002；c为正截面的混凝土极限压应变，当处于非均匀受压且按公式计算值0.003 3时，取为0.003 3，当处于轴心受压时取为0；n为系数，当计算的n2.0时，取为2.0。但根据文献 6 的研究结果，在实际试验过程中，因混凝土抗压强度安全余量与保证率的影响，为更准确地求出混凝土支撑轴力值，在计算时更适合取其轴心抗压强度平均值fcm代替其轴b心抗压强度设计值fc进行计算。3实验验证3.1实验目的因为轴力计算的影响因素较多，导致得出的监测值准确度不高，所以本文的足尺寸室内试验主要是从混凝土应力应变关系式出发，设计相关的室内试验。目的是验证优化的轴力计算方法的优越性和研究是否取混凝土轴心抗压强度平均值fcm计算支撑轴力。3.2实验原材料与仪器 混凝土：采用C30混凝土，养护28 d后进行实验。根据文献6的方法取 fc为 14.3 N/mm2，fcm为28.3 N/mm2。钢筋：采用HRB400钢筋，直径采用22 mm与25 mm。设备与传感器：采用1 500 t长柱压力试验机，如图1所示。工作台尺寸1.0 m1.0 m，电液伺服控制，由主机、动力油源、手动控制台、试件移动小车、可移动下压台等组成，最大加载 15 000 kN。采用德国 MI55广东土木与建筑MAR 2023 Vol.30 No.32023年3月 第30卷 第3期CRO-EPSILON拉线位移计。3.3实验方法为验证优化方法的准确性，本文室内实验制作尺寸为 6 m0.8 m0.8 m的混凝土支撑，支撑配筋如图2所示。在混凝土浇筑完成后，养护28 d，在混凝土支撑表面安装拉线位移计1个，采用拉线位移计法17，利用高精度拉线位移计监测支撑长度变化，根据测量结果计算出支撑应变，同时使用传统计算公式与优化后的计算方法算出支撑轴力，再与实际施加轴力进行对比后判断不同计算方法的优劣性。3.4实验结果从图3可以看出，在施加的轴力相同时，传统计算方法所得轴力值比其实际实验结果施加的轴力所得值大。且发现当采用混凝土轴心抗压强度设计值fc计算时所得轴力值远小于其实际值，而用其轴心抗压强度平均值fcm进行计算所得轴力值大于且更接近其实际值，且偏差在10%以内。4结论为提高混凝土支撑轴力监测值的准确性，本文通过混凝土受压的应力与应变关系对钢筋混凝土支撑轴力的计算方法进行优化，并通过足尺寸室内实验，初步验证了采用优化的计算方法对钢筋混凝土支撑轴力进行计算的可行性。本文所得主要结论如下：采用优化的计算方法测量所得的混凝土支撑轴力值比传统方法更接近其实际值。优化后的测量值跟实测值的偏差在10%以内。根据与混凝土轴心抗压强度设计值fc的对比，发现在实际实验中取混凝土轴心抗压强度平均值fcm更能准确反应支撑轴力的精确度。由于缺乏更多现场实际数据对此计算方法进行验证，本文仍然需要进一步的研究与探讨。但是从理论的角度出发，采用混凝土受压的应力与应变关系对钢筋混凝土支撑轴力的计算方法进行优化，在现实工程应用中值得推广。参考文献1 丁民.浅谈基坑监测的重要性与方法 J.门窗，2019（12）：31-33.2孙超，郭浩天.深基坑支护新技术现状及展望 J.建筑科学与工程学报，2018，35（3）：104-117.3徐昭辰，王强，章定文，等.基坑混凝土支撑轴力监测值修正方法 J.建筑科学与工程学报，2021，38（6）：48-54.4 KIM S，FINNO R J.Inverse analysis of a support excavation in ChicagoJ.Journal of Geotechnical andGeoenvironmental Engineering，2019，145（9）：04019050-04019050.5 WANG Z C，WANG C.Analysis of deep foundationpit construcion monitoring in a Metro staton in JinanCity J.GeotechnicalandGeilogicalEngineering，2019，37（2）：813-822.6 李兆源.基坑混凝土支撑轴力监测值计算方法研究 D.广州：华南理工大学，2014.7 戴远俊，何钦，陈大江.非荷载因素作用下的轴力修正计算 J.广东土木与建筑，2022，29（2）：96-99.8刘阳，何鑫.钢筋混凝土支撑轴力计算方法优化研究 J.山西建筑，2022，48（9）：98-100.9 吴增伟，张华.钢弦式混凝土支撑轴力计算方法的研究J.山西建筑，2007（14）：77-78.10 吴增伟，陈晓丹.关于混凝土支撑轴力计算方法的一点看法 J.建筑监督检测与造价，2008，1（11）：52-54.11 肖振烨，李素贞，崔晓强.基于应变监测的基坑钢筋混凝土支撑轴力修正方法 J.重庆大学学报，2018，41（11）：8-18.12 钟思成.时间效应对钢筋混凝土支撑轴力的影响分析 J.图11 500 t长柱压力试验机Fig.11 500 t Long Column Pressure Testing Machine图2支撑配筋Fig.2Support Reinforcement（mm）522725522112150（4）725800800图3支撑轴力对比Fig.3Comparison of Support Axial Forces实际施加轴力传统方法计算轴力优化方法计算轴力（采用fcm）优化方法计算轴力（采用fc）1000020000施加轴力/kN计算轴力/kN12000400001400060008000100002000400060008000（下转第100页）56张伟斌：大跨度承重桥吊移动安装钢屋盖结构施工技术MAR 2023 Vol.30 No.32023年3月 第30卷 第3期细节介绍，为后续工程施工提供参考。建立预警机制，严格监控牵引过程整个滑移系统垂直位移情况并做好监控记录，通过与计算位移对比，对整个滑移过程进行预警，如有异常随时停止牵引，从而减少安全风险。技术工艺可重复使用性强，可在同类型具有类似条件的厂房类项目中重复使用，技术工艺有较高的推广应用价值。参考文献1通用桥式起重机：GB/T 144052011 S.北京：中国标准出版社，2011.2 建筑结构荷载规范：GB 500092012 S.北京：中国建筑工业出版社，2012.3 钢结构设计标准：GB 500172017 S.北京：中国建筑工业出版社，2017.4 建筑施工模板安全技术规范：JGJ 1622008 S.北京：中国建筑工业出版社，2008.5 建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范：JGJ 1302011 S.北京：中国建筑工业出版社，2011.6 建筑施工脚手架安全技术统一标准：GB 512102016S.北京：中国建筑工业出版社，2017.7刘玉堂，王振景.天车脚手架高空滑移专项方案研究 J.低碳世界，2019，9（5）：325-326.8薛永，钱艺柏.利用桥式吊车梁进行高空大跨度网架结构安装技术 J.江苏建筑，2017（5）：64-66.9建筑结构可靠性设计统一标准：GB 500682018 S.北京：中国建筑工业出版社，2018.10 江正荣.建筑施工计算手册（第四版）M.北京：中国建筑工业出版社，2018.11 石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解 M.北京：机械工业出版社，2019.12 唐开永，曾志斌，杜向浩.超高单层大跨度钢网架特殊施工技术研究 J.广东土木与建筑，2020，27（2）：63-65+69.13 郭凯.大跨度预应力钢结构拆除施工研究综述 J.广州建筑，2017，45（6）：7-11.14 赵建华，李东，何旭，等.三角锥焊接球网架楼面拼装与整体提升技术 J.广东土木与建筑，2021，28（11）：57-61.15 赖泽荣.基于有限元分析的大跨度钢结构累积滑移过程研究 J.广州建筑，2021，49（5）：25-28.现代隧道技术，2020，57（S1）：1293-1297.13 东南大学，天津大学，同济大学.混凝土结构（上册）混凝土结构设计原理（第七版）M.北京：中国建筑工业出版社，2020.14 李朋辉.谈影响普通混凝土弹性模量的因素 J.广东建材，2018，34（8）：5-6.15 章丹峰，李均，熊飞等.基坑监测中混凝土支撑轴力测量实验研究 J.广东土木与建筑，2021，28（3）：29-33.16 混凝土结构设计规范：GB 500102010 S.北京：中国建筑工业出版社，2010.17 陈大江，丘北刘，何钦，等.一种钢筋混凝土支撑轴力监测新方法 J.广东土木与建筑，2021，28（12）：88-91.（上接第56页）100