影响钢筋混凝土支撑轴力因素的研究

赵 亮 李伟强 瞿少尉

0 引言

近20年来，我国高度超过100 m的建筑物已有约200座。这些已建和在建的超高层建筑，其基坑深度已逐渐由6 m，8 m发展至10 m，20 m以上，最深的达到40 m，深基坑支护在地下施工中起着举足轻重的作用。在现代基坑工程中，监测已经成为必要和重要的一个环节。

在采用钢筋混凝土支撑支护的基坑工程中，支撑轴力是设计、监理和施工单位共同关心的内容。钢筋混凝土支撑受力以受压为主，对混凝土材料来说，存在体积收缩、徐变、温度等因素影响对支撑受力的测量，并且，直接用测得的应变值、混凝土弹模计算混凝土应力和支撑轴力存在计算值偏大的异常情况，为避免这种误差影响施工，有必要对影响混凝土应力的各因素进行分析，并对监测结果进行修正。

1 轴力监测的原理

对于钢筋混凝土支撑，主要采用钢筋计测量钢筋的应力，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，与支撑主筋焊接在一起。然后通过共同工作、变形协调条件反算支撑的混凝土轴力［1］。

按照这种轴力的监测计算方法，测试的轴力一般是设计值的2倍～3倍，甚至更大，而且同一天不同时间的测量值也相差很大，这些对设计产生了很大的阻碍，我们必须增大围护结构的可靠性，从而消耗了更多的人力、财力。有时在加固了围护结构后发现监测值还是持续偏大，而围护结构并未发生破坏，可见实际的支撑轴力并没有监测的结果那么大。在实际工程中影响监测结果的原因很多，但重要的不是监测人员的失误以及监测仪器的问题，而是这种监测方法并没有完全考虑钢筋混凝土材料受力特点。也就是实际监测的埋在钢筋混凝土中的钢筋的应力并不是完全由荷载产生的，而是有一部分非荷载应力的影响。

2 某深基坑支撑轴力的监测

某深基坑工程位于南京鼓楼峨眉路北侧。基坑开挖深度为9.5 m，有效开挖面积为(37.3 ×26.1)m2。该综合楼地上7 层，建筑高度23.65 m，框架结构。场地北侧为已建成的6层110 kV变电站，基础形式为天然地基，设一层地下室，距基坑最近距离为2.4 m。

因拟建场地东侧、南侧、西侧紧邻建筑物，支护方案采用人工挖孔桩，桩之间进行压密注浆;基坑北侧以树根桩进行支护。

基坑开挖至5 m后在2008年9月21日完成混凝土支撑，继续土方开挖至约9 m，在2008年10月27日完成钢支撑的换撑，拆除混凝土支撑并继续土方开挖。支撑断面为0.5 m×0.7 m，在四角分别埋设振弦式钢筋测力计，埋设断面见图1。

现只针对上部的钢筋计做考虑，并选取左边钢筋计为主要研究对象。监测每天一次，一般均在8:00～8:30完成测量，共计测量36 d，监测的钢筋计频率值如图2所示。

从图2中可以发现，随着时间的推移，频率值迅速降低，直至稳定。可见由于土方的开挖使支撑的轴力迅速升高，单从频率来看，并未发现异常。

混凝土支撑轴力计算采用常规算法，假定在钢筋混凝土结构中，钢筋的应变与混凝土的应变相同，于是两者的应力存在如下关系:

根据断面的配筋情况可得混凝土轴力为:

其中，下标1，2分别代表钢筋和混凝土，通过计算，混凝土轴力的分布如图3所示。

混凝土轴力的设计值为2 000 kN，从图3中可以发现，实际监测值基本上都超过2 000 kN，最大值5 139 kN，超过了设计值的2.5倍。按照监测换算的轴力，混凝土支撑应该会发生较大的变形或者出现裂缝，但实际混凝土并没有出现裂缝，因此可以断定监测得出的混凝土轴力是偏大的。

3 轴力监测结果偏大的原因分析

非荷载的因素是轴力出现异常偏大的主要原因，具体主要是混凝土的徐变、收缩和温度变化。

3.1 混凝土徐变的影响

徐变与外力荷载及时间均有关系。在长期荷载作用下，混凝土内水泥胶体微孔隙中的游离水将从毛细管里挤出并蒸发，导致胶体体积缩小，形成徐变过程。混凝土的徐变大小，取决于荷载、混凝土龄期、环境条件、混凝土配合比、构件厚度以及时间长短等因素［2］。

在浇筑后混凝土的徐变随着龄期的变化而逐渐增大，直至趋于稳定。混凝土的徐变不单与荷载、时间以及外部环境等因素相关，还与历史应力、加载龄期密切相关［3，4］;徐变的发生会增大混凝土结构的变形。对于钢筋，虽然也会发生徐变，但是钢筋的徐变只与当前应力相关，与历史应力无关。徐变的速率远没有初期的混凝土徐变速率大，混凝土轴向变形速率要大于钢筋的轴向变形速率，这就必然引起两者之间的附加内力，因此这使得测量值比实际值大出很多。

3.2 混凝土收缩的影响

在钢筋混凝土支撑开始受荷进入工作状态后，混凝土一直在发生体积收缩。混凝土的收缩是混凝土体内水泥凝胶体中游离水蒸发，而使其本身体积缩小的一种物理化学现象［5］。影响混凝土收缩的主要因素是环境的相对空气湿度和混凝土龄期，还与构件的厚度、水灰比以及环境温度等因素有关。

收缩的影响与徐变的影响相似，混凝土在收缩时会产生收缩变形，而钢筋混凝土结构中的钢筋不会收缩，考虑到变形协调，钢筋会阻碍混凝土收缩变形，在阻碍过程中钢筋就会发生变形，产生附加的压应力。随着时间的增大混凝土收缩会产生持续增大的收缩变形，因此钢筋的附加压应力会随着时间的增大而持续增大，这主要是由于混凝土的收缩引起的，从而导致通过钢筋计的频率反算出混凝土的轴力偏大。

4 结语

深基坑工程的监测是一个至关重要的环节，采用钢筋应力计量测钢筋混凝土轴力时，会出现混凝土支撑轴力值偏大的异常情况，轴力值往往比设计值高出许多，针对监测结果偏大进行了简要的原因分析、解释和总结，同时提出在工程中针对监测结果进行修正的必要性，避免因为结果的偏大而影响工程的设计和施工。

［1］夏才初，李永盛.地下工程测试理论与监测技术［M］.上海:同济大学出版社，2002.

［2］叶万灵.围护结构中钢筋混凝土支撑轴力和变形的研究［J］.土木工程学报，2000(10):21-23.

［3］冯圣清，岗镇辉.杨浦大桥主塔工程混凝土收缩徐变控制技术研究［J］.混凝土与水泥制品，1994(4):38-40.

［4］祝昌暾，陈 敏，杨 杨，等.高强混凝土的收缩和早期徐变特性［J］.混凝土与水泥制品，2005(2):16-17.

［5］胡正亮.基坑工程中混凝土支撑内力监测结果异常分析［J］.西部探矿工程，2007(2):98-99.