论文部分内容阅读
摘要：结合东莞地铁基坑监测的实际情况，阐述混凝土支撑轴力的监测方法，并结合工程实例对监测中出现的问题进行探讨与研究。
关键词：混凝土支撑；轴力；计算公式；钢筋计；温度影响；报警值
东莞轨道交通R2线是东莞市建设的第一条地铁线路,在地铁基坑支护结构中，普遍采用第一、第二道为混凝土支撑，第三道为钢支撑的支护体系。根据<<建筑基坑工程监测技术规范>>(GB50497-2009)的要求,混凝土支撑轴力的监测为一级基坑的应测项目，东莞R2线地铁基坑混凝土支撑监测点较多。本文结合东莞R2线地铁基坑混凝土支撑轴力的实际监测情况，分析混凝土支撑轴力的监测方法，对出现的相应问题进行分析。
混凝土支撑轴力监测点的埋设
东莞R2线混凝土支撑监测布点间距为15-20米，比一般地方的布点要密。传感器采用钢筋计，监测断面选定在混凝土支撑三分之一处。监测断面选定后，在四条边或者四个角上，分别埋设与主筋相匹配的四个钢筋计。钢筋计与受力主筋一般通过连杆电焊的方式连接，在焊接过程中，为了避免高温对钢筋计产生不利影响，我们采用两种方法进行焊接：其一, 有条件时应先将连杆与受力钢筋碰焊对接(或碰焊)，然后再旋上钢筋计。其二, 在安装钢筋计的位置上先截下 一段不小于传感器长度的主筋,然后将连上连杆的钢筋计焊接在被测主筋上焊上。钢筋计连杆应有足够的长度,以满足规范对搭接焊缝长度的要求。在焊接时,为避免传感器受热损坏, 要在传感器上包上湿布并不断浇冷水,直到焊接完毕后钢筋冷却到一定温度为止。在焊接过程中还应不断测试传感器,看看传感器是否处于正常状态。
监测方法及计算公式的推导
一般采用频率接收仪作为钢筋计的二次接收仪器。将频率接收仪的红、黑线夹分别夹住钢筋计数据传输线的红、黑线，从仪表中直接读取频率作为轴力监测的原始数据。
从仪器中直接读取的是频率，单位为赫兹，需要进一步计算才能转化为需要的轴力（单位KN），计算公式推导如下：
首先，根据材料力学原理轴向受力表示为：
对于钢筋混凝土杆件，我们先把它看做是理想压杆，即钢筋与混凝土共同工作、变形协调，它的轴向受力计算公式可以表示为：
钢筋混凝土支撑轴力计算:
式中： —支撑轴力(kN)；—钢筋应力(kN/)；—钢筋计监测平均应力(kN/) ； —第j个钢筋计标定系数（kN/）；—第j个钢筋计监测频率(Hz)；—第j个钢筋计安装后的初始频率(Hz)； —第j个钢筋计截面积(mm2)；—混凝土弹性模量(kN/)；—钢筋弹性模量(kN/) ； —混凝土截面积()； = - —支撑截面积()；—钢筋总截面积()。
监测中轴力的变化趋势及相关问题
R2线混凝土支撑轴力的总体变化趋势是，在支撑下部土未掏空时候，支撑轴力有稍微的增加，支撑下部土掏空后，轴力变出现大幅度的增加，这种情况一直持续到基坑开挖接近底部附近之时，之后变化便趋于缓和。以东莞火车站第二道支撑超设计值的几根支撑为例，其变化趋势如下：
上圖中，从12-20至1-1日为这三道支撑附近土方出土的时间，轴力都出现大幅的增加，基坑开挖至地板附近后，轴力的增长速度变趋于缓和。
另外，在R2线的基坑监测过程中，出现了混凝土支撑轴力监测值大规模的超报警值，甚至超过设计值的情况，而其周边相对应的监测项目，例如测斜，墙顶平面位移却没出现报警，甚至变化很小的情况，基坑巡视也没发现异常情况。以东莞火车站为例，东莞火车站每道支撑的监测断面均埋设四个钢筋计，且能正常工作，它的混凝土支撑轴力监测情况如下表：
东莞火车站基坑混凝土支撑轴力监测情况一览表
从上表中可以看出，混凝土支撑的超过报警值的比重较大，第二道混凝土支撑的截面积为：800×1100，根据设计提供的其极限承载力为9400多KN，因此从数值上看，第二道支撑ZC2-15的轴力为：11189.72KN，已经超过其极限承载能力。 但是支撑并未出现破坏性的裂缝，其周边的监测项目的监测情况如下表：
从上表中可以看出混凝土支撑ZC25附近的监测项目只有第一道混凝土支撑达到报警值，其余的监测项目均正常，在加上现场巡视没有发现混凝土支撑有异常情况。因此可以判断出，混凝土支撑轴力监测在数据上会有偏大的现象。其原因如下：
⑴钢筋计在埋设过程中存在不规范的操作。钢筋计本身是高灵敏度的传感器，它的安装要求应该非常严格。钢筋计在埋设时候是用电焊焊接在支撑主筋上，在焊接的过程中按要求给钢筋计降温，但是工人焊接时候，很难把握降温的力度。还有连接杆是通过螺纹与钢筋计连接的，螺纹之间存在缝隙， 目前厂家都没有给出螺纹连接杆与钢筋计连接时候的扭矩，不知道是否连接恰当。
⑵现场条件不能完全满足计算公式的使用范围。计算钢筋计轴力的计算公式的使用时要满足混凝土支撑为理想压杆状态，钢筋与混凝土共同工作、变形协调的状态下使用的。实际情况并非如此，钢筋计按要求埋设在支撑1/3处，目的也是埋设在支撑零弯矩的地方，但是混凝土浇筑的时候很难准确在这个地方做到零弯矩，埋设钢筋计的时候也不能正确找到支撑的零弯矩的地方；另外混凝土浇筑完毕后，会受到支撑自重的影响产生初始弯矩。因此钢筋计在埋设好的时候，其实已经受到支撑的初始弯矩和自重产生的弯矩的影响，数据必然会有所增大。目前混凝土支撑的初始弯矩还不能计算，而混凝土支撑自重产生的弯矩可以计算，在计算钢筋计轴力时候，应该考虑混凝土自重产生的影响，尽量较少轴力误差。
⑶温度对钢筋计及混凝土支撑的影响。钢筋计出厂合格证上的数据是实验室中测得的，现场的温度与实验室的温度有很大差别，而厂家都没有提供钢筋计的温度修正系数，钢筋计的受热系数与钢筋的也不等同，它们受温度的影响也不相同。另外，混凝土支撑本身受温度的影响会有伸缩变化，温度每升高10度，20米长的混凝土支撑会增加两个毫米的伸长，轴力会增加2000KN左右。因此在温度变化时候，轴力数据会出现异常。
综上所述，我们用钢筋计测混凝土支撑轴力本身就是以小测大，即以钢筋计截面的受力换算成混凝土支撑界面的受力，若钢筋计受力产生偏差，则混凝土支撑受力便会被放大很多。
R2线混凝土支撑出现70%以上的报警，除了数据在数值上有偏差之外还有一个原因就是：目前设计单位给的混凝土支撑轴力的报警值，是根据周边水土压力加上预计的动载设定的，它并不等同于混凝土构件的极限承载力。因此出现了报警，也不代表基坑的稳定性受到破坏了。
4、结论
通过对R2线基坑混凝土支撑的监测及分析，我们在以后的监测中要注意一下问题;
⑴购买传感器的时候，一定要厂家提供温度修正系数及安装指导。
⑵埋设支撑轴力监测原件时候，要考虑混凝土支撑的初始偏心；计算轴力的时候，要考虑混凝土自重产生的偏心距的影响 ，将数据误差做到最小。
⑶采集初始值的时间应该在支撑下边土方即将开挖的时候，平时监测的时间应该固定，同一季节一般早上温度温差相对较小，可以在这个时间段进行监测，以减小温度对轴力的影响。
⑷出现轴力超报警值的时候，应该根据轴力的变化速率及周边监测项目的监测情况，综合判断基坑的安全情况。若轴力的变换速率仍无收敛趋势，或者周边一些监测项目出现异常，则需要采取相应措施保证基坑安全。
⑸设计单位在设定轴力报警值的时候，应该考虑温度对混凝土构件的影响，以及混凝构件自重产生的偏心对轴力的影响，实现动态设计。建议可以参照<<建筑基坑工程监测技术规范>>(GB50497-2009)上对报警值的要求，将混凝土构件承载能力的70%做为报警值，以减少一些不必要的报警。
参考文献：
[1]<<建筑基坑工程监测技术规范>>(GB50497-2009).
作者简介：齐家彬（1983.10--）男, 河南通许人，2007年毕业于河南理工大学测绘工作专业，本科学历，助理工程师,现就业于在中铁隧道勘测设计院,主要从事铁路、地铁的测量及监测工作。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：混凝土支撑；轴力；计算公式；钢筋计；温度影响；报警值
东莞轨道交通R2线是东莞市建设的第一条地铁线路,在地铁基坑支护结构中，普遍采用第一、第二道为混凝土支撑，第三道为钢支撑的支护体系。根据<<建筑基坑工程监测技术规范>>(GB50497-2009)的要求,混凝土支撑轴力的监测为一级基坑的应测项目，东莞R2线地铁基坑混凝土支撑监测点较多。本文结合东莞R2线地铁基坑混凝土支撑轴力的实际监测情况，分析混凝土支撑轴力的监测方法，对出现的相应问题进行分析。
混凝土支撑轴力监测点的埋设
东莞R2线混凝土支撑监测布点间距为15-20米，比一般地方的布点要密。传感器采用钢筋计，监测断面选定在混凝土支撑三分之一处。监测断面选定后，在四条边或者四个角上，分别埋设与主筋相匹配的四个钢筋计。钢筋计与受力主筋一般通过连杆电焊的方式连接，在焊接过程中，为了避免高温对钢筋计产生不利影响，我们采用两种方法进行焊接：其一, 有条件时应先将连杆与受力钢筋碰焊对接(或碰焊)，然后再旋上钢筋计。其二, 在安装钢筋计的位置上先截下 一段不小于传感器长度的主筋,然后将连上连杆的钢筋计焊接在被测主筋上焊上。钢筋计连杆应有足够的长度,以满足规范对搭接焊缝长度的要求。在焊接时,为避免传感器受热损坏, 要在传感器上包上湿布并不断浇冷水,直到焊接完毕后钢筋冷却到一定温度为止。在焊接过程中还应不断测试传感器,看看传感器是否处于正常状态。
监测方法及计算公式的推导
一般采用频率接收仪作为钢筋计的二次接收仪器。将频率接收仪的红、黑线夹分别夹住钢筋计数据传输线的红、黑线，从仪表中直接读取频率作为轴力监测的原始数据。
从仪器中直接读取的是频率，单位为赫兹，需要进一步计算才能转化为需要的轴力（单位KN），计算公式推导如下：
首先，根据材料力学原理轴向受力表示为：
对于钢筋混凝土杆件，我们先把它看做是理想压杆，即钢筋与混凝土共同工作、变形协调，它的轴向受力计算公式可以表示为：
钢筋混凝土支撑轴力计算:
式中： —支撑轴力(kN)；—钢筋应力(kN/)；—钢筋计监测平均应力(kN/) ； —第j个钢筋计标定系数（kN/）；—第j个钢筋计监测频率(Hz)；—第j个钢筋计安装后的初始频率(Hz)； —第j个钢筋计截面积(mm2)；—混凝土弹性模量(kN/)；—钢筋弹性模量(kN/) ； —混凝土截面积()； = - —支撑截面积()；—钢筋总截面积()。
监测中轴力的变化趋势及相关问题
R2线混凝土支撑轴力的总体变化趋势是，在支撑下部土未掏空时候，支撑轴力有稍微的增加，支撑下部土掏空后，轴力变出现大幅度的增加，这种情况一直持续到基坑开挖接近底部附近之时，之后变化便趋于缓和。以东莞火车站第二道支撑超设计值的几根支撑为例，其变化趋势如下：
上圖中，从12-20至1-1日为这三道支撑附近土方出土的时间，轴力都出现大幅的增加，基坑开挖至地板附近后，轴力的增长速度变趋于缓和。
另外，在R2线的基坑监测过程中，出现了混凝土支撑轴力监测值大规模的超报警值，甚至超过设计值的情况，而其周边相对应的监测项目，例如测斜，墙顶平面位移却没出现报警，甚至变化很小的情况，基坑巡视也没发现异常情况。以东莞火车站为例，东莞火车站每道支撑的监测断面均埋设四个钢筋计，且能正常工作，它的混凝土支撑轴力监测情况如下表：
东莞火车站基坑混凝土支撑轴力监测情况一览表
从上表中可以看出，混凝土支撑的超过报警值的比重较大，第二道混凝土支撑的截面积为：800×1100，根据设计提供的其极限承载力为9400多KN，因此从数值上看，第二道支撑ZC2-15的轴力为：11189.72KN，已经超过其极限承载能力。 但是支撑并未出现破坏性的裂缝，其周边的监测项目的监测情况如下表：
从上表中可以看出混凝土支撑ZC25附近的监测项目只有第一道混凝土支撑达到报警值，其余的监测项目均正常，在加上现场巡视没有发现混凝土支撑有异常情况。因此可以判断出，混凝土支撑轴力监测在数据上会有偏大的现象。其原因如下：
⑴钢筋计在埋设过程中存在不规范的操作。钢筋计本身是高灵敏度的传感器，它的安装要求应该非常严格。钢筋计在埋设时候是用电焊焊接在支撑主筋上，在焊接的过程中按要求给钢筋计降温，但是工人焊接时候，很难把握降温的力度。还有连接杆是通过螺纹与钢筋计连接的，螺纹之间存在缝隙， 目前厂家都没有给出螺纹连接杆与钢筋计连接时候的扭矩，不知道是否连接恰当。
⑵现场条件不能完全满足计算公式的使用范围。计算钢筋计轴力的计算公式的使用时要满足混凝土支撑为理想压杆状态，钢筋与混凝土共同工作、变形协调的状态下使用的。实际情况并非如此，钢筋计按要求埋设在支撑1/3处，目的也是埋设在支撑零弯矩的地方，但是混凝土浇筑的时候很难准确在这个地方做到零弯矩，埋设钢筋计的时候也不能正确找到支撑的零弯矩的地方；另外混凝土浇筑完毕后，会受到支撑自重的影响产生初始弯矩。因此钢筋计在埋设好的时候，其实已经受到支撑的初始弯矩和自重产生的弯矩的影响，数据必然会有所增大。目前混凝土支撑的初始弯矩还不能计算，而混凝土支撑自重产生的弯矩可以计算，在计算钢筋计轴力时候，应该考虑混凝土自重产生的影响，尽量较少轴力误差。
⑶温度对钢筋计及混凝土支撑的影响。钢筋计出厂合格证上的数据是实验室中测得的，现场的温度与实验室的温度有很大差别，而厂家都没有提供钢筋计的温度修正系数，钢筋计的受热系数与钢筋的也不等同，它们受温度的影响也不相同。另外，混凝土支撑本身受温度的影响会有伸缩变化，温度每升高10度，20米长的混凝土支撑会增加两个毫米的伸长，轴力会增加2000KN左右。因此在温度变化时候，轴力数据会出现异常。
综上所述，我们用钢筋计测混凝土支撑轴力本身就是以小测大，即以钢筋计截面的受力换算成混凝土支撑界面的受力，若钢筋计受力产生偏差，则混凝土支撑受力便会被放大很多。
R2线混凝土支撑出现70%以上的报警，除了数据在数值上有偏差之外还有一个原因就是：目前设计单位给的混凝土支撑轴力的报警值，是根据周边水土压力加上预计的动载设定的，它并不等同于混凝土构件的极限承载力。因此出现了报警，也不代表基坑的稳定性受到破坏了。
4、结论
通过对R2线基坑混凝土支撑的监测及分析，我们在以后的监测中要注意一下问题;
⑴购买传感器的时候，一定要厂家提供温度修正系数及安装指导。
⑵埋设支撑轴力监测原件时候，要考虑混凝土支撑的初始偏心；计算轴力的时候，要考虑混凝土自重产生的偏心距的影响 ，将数据误差做到最小。
⑶采集初始值的时间应该在支撑下边土方即将开挖的时候，平时监测的时间应该固定，同一季节一般早上温度温差相对较小，可以在这个时间段进行监测，以减小温度对轴力的影响。
⑷出现轴力超报警值的时候，应该根据轴力的变化速率及周边监测项目的监测情况，综合判断基坑的安全情况。若轴力的变换速率仍无收敛趋势，或者周边一些监测项目出现异常，则需要采取相应措施保证基坑安全。
⑸设计单位在设定轴力报警值的时候，应该考虑温度对混凝土构件的影响，以及混凝构件自重产生的偏心对轴力的影响，实现动态设计。建议可以参照<<建筑基坑工程监测技术规范>>(GB50497-2009)上对报警值的要求，将混凝土构件承载能力的70%做为报警值，以减少一些不必要的报警。
参考文献：
[1]<<建筑基坑工程监测技术规范>>(GB50497-2009).
作者简介：齐家彬（1983.10--）男, 河南通许人，2007年毕业于河南理工大学测绘工作专业，本科学历，助理工程师,现就业于在中铁隧道勘测设计院,主要从事铁路、地铁的测量及监测工作。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。