混凝土弹性模量及温度变化对混凝土支撑轴力计算的影响

摘要在施工监测过程中，混凝土支撑轴力对基坑安全性的判定非常直观也十分重要，但由于围护结构受力十分复杂导致支撑实测轴力和理论工况下的设计轴力相差较大。根据扬州市瘦西湖隧道工程湖东明挖段基坑混凝土支撑轴力的监测数据，综合现场工况，对混凝土支撑轴力监测计算结果进行了详细的分析，通过对混凝土弹性模量和监测温度进行相应的修正，可有效的提高混凝土支撑轴力计算准确性。

关键词: 基坑监测；混凝土弹性模量；支撑轴力计算；修正

Abstract: In the construction monitoring process, the concrete supporting shaft force is very important and intuitive to judge the safety of foundation pit, However, there is a big difference in the supporting axial force between measured and designed; cause of the force of the retaining structure is very complex. According to the monitoring data of the Lake East open-cut segment Pit concrete supporting shaft force in Yangzhou Slender West Lake tunnel project, combining the on-site conditions, the monitoring result of the concrete supporting shaft force is analyzed in detail. By amending the modulus elasticity of the concrete and the monitoring temperature, the accuracy of the concrete supporting shaft force can be improved effectively.

Key words: excavation monitoring; elastic modulus of concrete; support shaft force; amend

中图分类号：TU377.1文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）

1引言

随着社会经济与城市建设的快速发展，地下工程围护结构监控量测变得越来越重要。这这其中基坑支撑轴力的监测，其目的在于及时掌握施工过程支撑受力大小及变形情况，进而对整个基坑支护体系的安全与否做出科学的评价，指导现场安全施工。混凝土支撑轴力需在混凝土构件内埋设测力钢筋计来测试轴力[1],由于其轴力不能直接测得，而是通过模拟计算获得，在此基础上就需要提高计算的可靠性，才能对设计进行验证。

结合扬州市瘦西湖隧道工程施工的实际情况，通过对其围护结构混凝土支撑轴力的整体分析，对计算混凝土支撑轴力的公式[2]加入混凝土弹性模量和温度变化相对应的修正，以提高混凝土支撑轴力计算准确性。

2影响因素理论分析

扬州瘦西湖工程在基坑围护结构中的第一道支撑为混凝土支撑，其轴力大小若要通过应力传感器直接测得是很困难的，因此我们可以根据钢筋与混凝土的变形协调做一假定来求算，采用振弦式钢筋应力传感器进行监测。其工作原理为：当传感器外壳钢管受轴力作用时，引起弹性钢弦的张力变化，从而改变其自振频率，通过频率仪测得钢弦的自振频率变化即可得到钢筋所受应力的大小。

2.1 轴力计算相关模型公式

2.1.1、钢筋所受应力大小的计算公式如下：

2.1.2、钢筋混凝土支撑轴力大小的计算公式如下：

式中：――支撑杆件测量轴力，单位kN；

、――混凝土和钢筋的弹性模量，单位MPa；

、――支撑混凝土和钢筋截面面积，单位0.1cm2；

――测量得到的钢筋应力值，单位MPa；

2.1.3混凝土弹性模量随混凝土龄期单调增长，但增长速度渐减并趋向收敛。

混凝土弹性模量平均值的历时变化模型[3]如下式所示：

C为混凝土等级强度，30≤C≤60（MPa）

2.2温度对混凝土支撑轴力的影响

温度变化产生的变形为非荷载变形，非荷载变形不会全部转换为应力， 只有在非荷载变形受到约束时才会产生应力。钢筋的热膨胀系数虽然与混凝土的系数相差不大，但还是大于混凝土的，因此温度的变化会产生温度应力，从而影响监测结果。

钢筋计计算轴力的钢筋应变表达式如下:

式中：

――温度对混凝土中钢筋的应力值，单位MPa；

――混凝土和钢筋的弹性模量，单位MPa；

、――支撑钢筋和混凝土线膨胀系数，单位/℃；

――温度变化量，单位℃。

3监测数据成果分析

3.1弹性模量随混凝土龄期的变化

表 1

理论工况下，通过公式（1）、（3）计算混凝土支撑4d、7d、14d龄期其轴力分别为标准值的1.42、1.18、1.03倍，而现场往往采用标准弹性模量进行轴力的计算，使得计算值大于实际值，这就影响到混凝土支撑轴力的计算准确性。因此在混凝土浇筑初期，采集钢筋计稳定的频率作为初始值时，应根据浇筑时间将混凝土的弹性模量加以修正然后进行支撑轴力的计算，增强混凝土支撑轴力计算的准确性；结合现场，如果能在混凝土浇筑完成14d后，基坑尚未进行土方开挖时采集钢筋计的相对稳定值作为初始值，根据表1数据所示弹性模量对混凝土支撑轴力计算的影响相对较小。

3.2稳定工况下温度对试验支撑轴力的影响

表 2

扬州瘦西湖隧道工程现场实际监测过程中，在工况相对稳定的情况下，一天之中温度相差10℃时，根据钢筋计计算出的支撑轴力约有750KN的变化量，因此选取湖东D4节混凝土支撑作为混凝土轴力计算的试验支撑（混凝土支撑截面积为1），通过44天的稳定工况条件下采集到数据进行分析计算，得出平均值为60.9KN/℃（钢筋和混凝土的线膨胀系数分别取12×10-6/℃和10×10-6/℃[4]），由公式（4）和公式（2）求得温度每变化1℃支撑轴力相应变化64.3KN。而设计支撑轴力为2100KN，预警值为1470KN（设计值的70%），而温差超过10℃时，温度对其的影响约为预警值的一半，因此必须对混凝土支撑轴力进行温度修正。

4、结论

1）、根据施工现场实际情况，应在混凝土支撑浇筑完成至少养护14d后采集混凝土支撑中钢筋计的初始频率值，然后才能进行基坑的土方开挖，这样弹性模量较为稳定，可以减少其对支撑轴力计算的影响，同时也可有效剔除因混凝土的硬化收缩而使钢筋计产生的附加应力。

2）、围护体系内监测值应考虑温度补偿问题，必须在需要监测的混凝土支撑中加入温度传感器，同测应力的监测元件埋设在一起，并对混凝土支撑进行热膨胀系数的测定，对支撑轴力进行温度修正。

3）、在实际的监测工作中，对基坑监测而言，不能简单根据某一监测断面混凝土支撑轴力累计值作为报警的依据；应在充分考虑支撑轴力累计值的同时，结合施工工况关注其变化趋势，并且应当结合围护结构的深层水平位移和桩顶水平位移等其他监测项目数据对支撑轴力的变化进行综合性分析，进而确定基坑的安全性。

1 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50497-2009建筑基坑工程监测技术规范[S].北京：中国计划出版社，2009.

2刘俊岩.建筑基坑工程监测技术规范实施手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2010.

3 杨伟军.混凝土早龄期的抗压强度与弹性模量的历时变化模型[J].中外公路, 2007[6]:149-151.

4 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50010-2010 混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.