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摘要：温度对钢管支撑轴力有明显的影响。结合浙江东部沿海某基坑工程实例，建立了一种解决温度对钢管支撑轴力影响问题的试验及分析方法，通过温度与轴力的现场跟踪试验资料统计分析，得到了钢管支撑轴力受温度影响规律，建立了经验公式，可用于分析钢管支撑不同部位的受力情况，可用于预测温度变化带来的钢管支撑轴力的影响，可为类似工程作为参考。在深基坑围护结构设计及施工中，应考虑温度对钢管支撑的影响。
关键词：基坑，钢管支撑，轴力，温度，应变计
Abstract:The temperature has obvious influence on the axial load of steel pile strut. Combined with one foundation excavation project in eastern coast of Zhejiang province, one solution was established to solve the problem of the axial force of steel pipe strut influenced by the temperature. Based on the statistical analysis of the tracking test data of temperature, as well as axial load, the change rule of axial load effected by temperature was got. Then empirical formulas, which were established on the basis of the monitoring data, could be used to analyze the stress condition in different parts of steel pipe, to predict the axial load of steel pipe in the future, to be indexed by similar project. When to design and construct the retaining structure of foundation excavation, the influence of temperature on the steel pile should be considered.
Keywords:foundation excavation; steel pipe strut; axial load; temperature; strain gauge
中圖分类号：TV551.4文献标识码：A 文章编号：
1 前言
长条型深基坑常采用钢管支撑进行支护，支撑稳定性及可靠性非常重要，常采用支撑轴力监测手段对钢管支撑作用是否发挥进行监控。影响钢管支撑轴力的因素较多[1]，温度是影响钢管轴力的重要因素之一，温度的变化使支护体系产生热胀冷缩，使支护体系产生变形，导致支撑产生附加轴力。众多学者研究及探讨了温度对基坑对支撑体系的影响。
张启运等[2]从理论上和实测中对支撑轴力温度应力进行研究，认为温度变化引起的最大应力相当于支撑轴力的1/5。吴长胜等[3]将温度应力分布函数用于基坑围护结构内力分析中，发现温度变化对基坑围护结构内力的影响相当明显，温度升度20℃支撑轴力增加21~23%；温度升高30℃，支撑轴力增加达33%。田敬学[4]通过特大桥锚碇工程深基坑实测发现在开挖深度40m以内，基坑深度对支撑温度的影响可以忽略。艾智勇等[5]建立了能够考虑连续墙刚度影响的多层水平支撑温度应力简化计算方法，探讨了墙体刚度对支撑温度应力的影响，墙体厚度越大，约束作用越强，支撑温度次生力越大。陆培毅等[6]采用有限元方法将温度场耦合到应力场中来分析基坑支撑温度效应，认为支撑长度较长的基坑因温度变化所产生的附加轴力更加明显。
在浙江东部沿海某基坑工程现场，温度变化剧烈，出现多处钢管支撑轴力超出警戒值现象。由于基坑轴力监测处采用端部设置仪器的方法，并不知道支撑中间部位的应力状态。中间部位的受力情况如何获取，如何分析温度对中间部位支撑轴力的影响。本文结合工程实例，建立了一种解决温度对钢管支撑轴力影响问题的试验及分析方法，通过温度与轴力的跟踪现场试验资料统计分析，得到了钢管支撑轴力温度影响规律，建立了经验公式，可用于分析钢管支撑不同部位的受力情况，可用于预测温度变化带来的钢管支撑轴力的影响，可为类似工程作为参考。
2 现场试验方法
用于现场支护的钢管支撑，在外界环境，特别是强光照射的情况下，热胀冷缩，钢管发生轴向的变形，由于受到周边支护结构的约束。在温度的影响下，钢管支撑产生的应力。这种力因温度影响才发生，可视为温度次生应力。对于钢管支撑，发生温度次生力需要两大条件，一是钢管温度发生变化，另一条件是钢管轴向变形受到约束。
为研究温度对钢管支撑轴力的影响，需实时观测钢管支撑的轴力与温度，可在钢管支撑上布设温度计及振弦式表面应变计。当被测结构物发生变形时，将带动表面应变计产生变形，变形通过前、后端座传递给振弦转变成振弦应力的变化，从而改变振弦的振动频率。电磁线圈激振振弦并测量其振动频率，频率信号经电缆传输至读数装置，即可测出引起被测结构物变形的应变量。
由于现场钢管支撑在立柱中间采用了横向连杆，横向连杆与主撑采用了四通，考虑到钢管支撑端部与中间部位支撑轴力的不一致性，在钢管支撑端部与中间各布设一组应变计。应变计布设于钢管两侧并处于轴线水平面上。在钢管端部与中间布设温度计，以测量温度，取平均值作为温度成果值。
众所周知，土方开挖是引起支撑轴力变化的主要原因，为研究温度对支撑的影响，需避开土方开挖导致支撑轴力重新分配的影响，这里选择已挖至坑底1月以上的91#φ609钢管(壁厚16mm)支撑作为研究对象。
图2-1 仪器安装示意图
εm= K△F + b′△T = K(fi2 – f02) + (b-a)(T-T0)(2-1)
式中：εm，被测结构物的应变量，1.0×10-6 ；K，应变计测量应变量的最小读数，1.0×10-6/Hz2；△F，应变计实时测量值相对于基准值的变化量，F；△T，温度实时测量值相对于基准值的变化量，℃；fi，应变计的实时测量值，Hz；f0，应变计的基准值，Hz；b，应变计的温度修正系数，12.0×10-6/℃；a，被测结构物钢支撑的线膨胀系数，12.0×10-6/℃；T，温度的实测值，℃；T0，温度的基准值，℃。
由于(b-a)≈0.0，所以对应变计测得的应变受温度影响微小，对应变测量精度影响不大，可采用εm=K×(fi2–fo2)进行计算。
3 钢管支撑特征温度
钢管支撑轴力受温度影响，轴力因温度而变化。对钢管支撑轴力进行分析，需选定个特征温度进行研究。
图3-1 温度变化过程统计图
为了解钢管支撑上的温度一天变化规律及找到钢管支撑的特征温度，设计了一个温度连续观测试验。对91#钢管支撑，温度观测时间自5:00至22:00，连续观测两天，得到温度变化过程线，并经统计分析，发现7:00点开始，钢管支撑温度呈上升趋势，至13:00达到峰值，后呈下降趋势，到20:00点，温度变化逐渐平缓；一天当中9:00温度与上午5点到晚上10点温度波动范围的平均值接近；9:00时的温度可作为一天测得的特征温度。
4 钢管支撑轴力与温度相关性
对5月1日至5月20日温度及轴力观测数据进行相关性回归分析，轴力与温度呈较好的线性关系，相关性系数R2=0.908，表明端部钢支撑受温度的影响而产生变形，受到支护结构的约束产生温度次生应力。得到拟合公式：N1=a1×T+b1=45.1×T+3201.5 (kN)。端部轴力每摄氏度增加约45.1kN。
图4-1 钢管支撑端部轴力与温度线性关系图
对于钢管支撑中间的轴力测试值进行相关性拟合分析，相关性系数R2=0.997，表明轴力与温度呈较好的线性关系。钢支撑中间轴力受温度影响的拟合公式，N2=a2×T+b2=31.1×T-838.1 (kN)。支撑中间部位轴力每摄氏度增加约31.1kN。
图4-2钢管支撑中间轴力与温度线性关系图
钢管支撑端部与中间部位受温度影响，轴力的变化水平是不同的，这说明钢管支撑温度次生应力与钢管支撑所处在的周边约束条件有关。通过材料力学分析发现，在相同的温度变化情况下，周边给予的约束越强，产生的温度次生应力就越大，即周边约束刚度越高，由温度变化产生支撑轴力增量越大。因此，围护桩墙刚度高的基坑，钢管支撑若受到阳光暴晒，将受温度影响，出现轴力峰值。
3 钢管支撑端部与中间位置轴力比例关系
钢管支撑受到横向连杆的作用，导致端部与中间位置的轴力分布不均匀。根据钢管支撑端部与中间位置轴力增量关系，可推导出端部与中间位置的应变增量的关系，进而推导出端部与中间位置间轴力的关系。
C=ΔN1/ΔN2=Δε1/Δε2=1.45
式中，C，应变比；ΔN1，端部轴力增量；ΔN2，中间轴力增量；Δε1，端部应变增量；Δε2，中间应变增量。
钢管支撑中间位置N2为埋设仪器时测得的初值，此时应变已经发生，轴力值较大，应变也较大，此时测得的轴力值实际为从埋设到目前的应变增量换算得到的轴力增量，不能代表全部轴力。实际的轴力增量根据中间位置支撑应变关系和端部的支撑应变增量关系换算得到，采用回归分析得到的经验公式进行计算，可得到随温度变化的钢管支撑轴力值。
公式为：N2′=Δε2′×E×A=Δε1′×E×A/C =N1′/1.45= N1/1.45
式中，N1′，钢支撑端部0应变开始到实际轴力值单位为kN；N2′，钢支撑中间0应变开始到实际轴力值单位为kN；Δε2′，钢支撑中间应变量；Δε1′，钢支撑端部应变量；E，钢管材料的弹性模量，单位为N/mm2；A，钢支撑横截面积，单位为mm2；T，钢支撑温度，单位为℃。
4 温度梯度效应
如同孔隙水压力的消散对土体产生渗透力，温度的传递及消散对钢管支撑产生温度次生力。温度存在梯度是温度产生传递及消散的内在原因，温度梯度对轴力产生了一定影响。采用钢管支撑表面测得的温度影响经验公式计算得到的钢管支撑轴力与实测的钢支撑轴力存在差异。轴力的最大值并不一定发生钢管支撑表面温度达到最高的时候，而是发生在钢管支撑整体平均温度最高的时候。
图4-1钢管支撑轴力变化过程线
从图4-1可以看出，根据温度拟合的轴力值与实测轴力值曲线变化规律是一致的，曲线相近，但在温度值较大的13点左右2个小时存在一定出入，这说明根据实测温度拟合所得的轴力值要比实测的轴力值要大，表明钢支撑在13点左右的时间范围内温度变化时存在较大的温度梯度效应，导致实测轴力值与拟合轴力值不一致，温度梯度对支撑轴力存在一定的影响。
6 结论
通过浙江东部沿海某基坑钢管支撑轴力受温度影响现场试验，发现了温度对钢管支撑轴力影響的规律，并得到一些有益结论，可供参考。
（1）温度对钢管支撑轴力的影响较大，建议监测钢管支撑轴力监测时，进行温度同步观测。
（2）9:00时的温度可作为钢管支撑轴力经验公式拟合的特征温度，使用时应注间温度梯度的影响。
（3）根据实测数据，端部支撑轴力要大于中间位置支撑轴力，端部部位轴力约为中间部位轴力的1.45倍；温度对钢管支撑中间部位产生的温度次生应力为3.1t/℃。
（4）在基坑设计及施工过程中，应考虑温度对支撑轴力的影响。气温上升会钢管支撑轴力增长，建议底部开挖选择气温较底的时候，可降低工程风险。
参考文献
[1]徐至钧,赵锡宏.逆作法设计与施工[M].北京:机械工业出版社,2002.
[2]张启运,朱荭,赵锡宏.考虑收缩与温度应力的钢筋混凝土支撑轴力研究[J].岩土工程技术,2000,1:51-54.
[3]吴长胜,田敬学.基坑围护结构度应力分析[J].西部探矿工程,2004,25:17-18.
[4]田敬学.深基坑围护结构温度应力监测与分析[J].施工技术,2006,35(7):21-22.
[5]艾智勇,苏辉.深基坑多层水平支撑温度应力的简化计算方法[J].同济大学学报(自然科学版),2011,39(2): 199-203.
[6]陆培毅,韩丽君.于勇.基坑支护支撑温度应力的有限元分析[J].岩土力学, 29(5):1290-1294.
作者简介：
杨震伟，男(1972-)，汉，浙江杭州人，杭州市铁路投资有限公司,高级工程师
骆介华，男(1965-)，汉，浙江诸暨人，华东勘测设计研究院,高级工程师
崔连忠，男(1983-)，汉，浙江德清人，华东勘测设计研究院,助理工程师
姚三德，男(1984-)，汉，湖北黄冈人，华东勘测设计研究院,助理工程师
戴民，男(1980-)，汉，江苏常熟人，台州市水利水电勘测设计院,工程师
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：基坑，钢管支撑，轴力，温度，应变计
Abstract:The temperature has obvious influence on the axial load of steel pile strut. Combined with one foundation excavation project in eastern coast of Zhejiang province, one solution was established to solve the problem of the axial force of steel pipe strut influenced by the temperature. Based on the statistical analysis of the tracking test data of temperature, as well as axial load, the change rule of axial load effected by temperature was got. Then empirical formulas, which were established on the basis of the monitoring data, could be used to analyze the stress condition in different parts of steel pipe, to predict the axial load of steel pipe in the future, to be indexed by similar project. When to design and construct the retaining structure of foundation excavation, the influence of temperature on the steel pile should be considered.
Keywords:foundation excavation; steel pipe strut; axial load; temperature; strain gauge
中圖分类号：TV551.4文献标识码：A 文章编号：
1 前言
长条型深基坑常采用钢管支撑进行支护，支撑稳定性及可靠性非常重要，常采用支撑轴力监测手段对钢管支撑作用是否发挥进行监控。影响钢管支撑轴力的因素较多[1]，温度是影响钢管轴力的重要因素之一，温度的变化使支护体系产生热胀冷缩，使支护体系产生变形，导致支撑产生附加轴力。众多学者研究及探讨了温度对基坑对支撑体系的影响。
张启运等[2]从理论上和实测中对支撑轴力温度应力进行研究，认为温度变化引起的最大应力相当于支撑轴力的1/5。吴长胜等[3]将温度应力分布函数用于基坑围护结构内力分析中，发现温度变化对基坑围护结构内力的影响相当明显，温度升度20℃支撑轴力增加21~23%；温度升高30℃，支撑轴力增加达33%。田敬学[4]通过特大桥锚碇工程深基坑实测发现在开挖深度40m以内，基坑深度对支撑温度的影响可以忽略。艾智勇等[5]建立了能够考虑连续墙刚度影响的多层水平支撑温度应力简化计算方法，探讨了墙体刚度对支撑温度应力的影响，墙体厚度越大，约束作用越强，支撑温度次生力越大。陆培毅等[6]采用有限元方法将温度场耦合到应力场中来分析基坑支撑温度效应，认为支撑长度较长的基坑因温度变化所产生的附加轴力更加明显。
在浙江东部沿海某基坑工程现场，温度变化剧烈，出现多处钢管支撑轴力超出警戒值现象。由于基坑轴力监测处采用端部设置仪器的方法，并不知道支撑中间部位的应力状态。中间部位的受力情况如何获取，如何分析温度对中间部位支撑轴力的影响。本文结合工程实例，建立了一种解决温度对钢管支撑轴力影响问题的试验及分析方法，通过温度与轴力的跟踪现场试验资料统计分析，得到了钢管支撑轴力温度影响规律，建立了经验公式，可用于分析钢管支撑不同部位的受力情况，可用于预测温度变化带来的钢管支撑轴力的影响，可为类似工程作为参考。
2 现场试验方法
用于现场支护的钢管支撑，在外界环境，特别是强光照射的情况下，热胀冷缩，钢管发生轴向的变形，由于受到周边支护结构的约束。在温度的影响下，钢管支撑产生的应力。这种力因温度影响才发生，可视为温度次生应力。对于钢管支撑，发生温度次生力需要两大条件，一是钢管温度发生变化，另一条件是钢管轴向变形受到约束。
为研究温度对钢管支撑轴力的影响，需实时观测钢管支撑的轴力与温度，可在钢管支撑上布设温度计及振弦式表面应变计。当被测结构物发生变形时，将带动表面应变计产生变形，变形通过前、后端座传递给振弦转变成振弦应力的变化，从而改变振弦的振动频率。电磁线圈激振振弦并测量其振动频率，频率信号经电缆传输至读数装置，即可测出引起被测结构物变形的应变量。
由于现场钢管支撑在立柱中间采用了横向连杆，横向连杆与主撑采用了四通，考虑到钢管支撑端部与中间部位支撑轴力的不一致性，在钢管支撑端部与中间各布设一组应变计。应变计布设于钢管两侧并处于轴线水平面上。在钢管端部与中间布设温度计，以测量温度，取平均值作为温度成果值。
众所周知，土方开挖是引起支撑轴力变化的主要原因，为研究温度对支撑的影响，需避开土方开挖导致支撑轴力重新分配的影响，这里选择已挖至坑底1月以上的91#φ609钢管(壁厚16mm)支撑作为研究对象。
图2-1 仪器安装示意图
εm= K△F + b′△T = K(fi2 – f02) + (b-a)(T-T0)(2-1)
式中：εm，被测结构物的应变量，1.0×10-6 ；K，应变计测量应变量的最小读数，1.0×10-6/Hz2；△F，应变计实时测量值相对于基准值的变化量，F；△T，温度实时测量值相对于基准值的变化量，℃；fi，应变计的实时测量值，Hz；f0，应变计的基准值，Hz；b，应变计的温度修正系数，12.0×10-6/℃；a，被测结构物钢支撑的线膨胀系数，12.0×10-6/℃；T，温度的实测值，℃；T0，温度的基准值，℃。
由于(b-a)≈0.0，所以对应变计测得的应变受温度影响微小，对应变测量精度影响不大，可采用εm=K×(fi2–fo2)进行计算。
3 钢管支撑特征温度
钢管支撑轴力受温度影响，轴力因温度而变化。对钢管支撑轴力进行分析，需选定个特征温度进行研究。
图3-1 温度变化过程统计图
为了解钢管支撑上的温度一天变化规律及找到钢管支撑的特征温度，设计了一个温度连续观测试验。对91#钢管支撑，温度观测时间自5:00至22:00，连续观测两天，得到温度变化过程线，并经统计分析，发现7:00点开始，钢管支撑温度呈上升趋势，至13:00达到峰值，后呈下降趋势，到20:00点，温度变化逐渐平缓；一天当中9:00温度与上午5点到晚上10点温度波动范围的平均值接近；9:00时的温度可作为一天测得的特征温度。
4 钢管支撑轴力与温度相关性
对5月1日至5月20日温度及轴力观测数据进行相关性回归分析，轴力与温度呈较好的线性关系，相关性系数R2=0.908，表明端部钢支撑受温度的影响而产生变形，受到支护结构的约束产生温度次生应力。得到拟合公式：N1=a1×T+b1=45.1×T+3201.5 (kN)。端部轴力每摄氏度增加约45.1kN。
图4-1 钢管支撑端部轴力与温度线性关系图
对于钢管支撑中间的轴力测试值进行相关性拟合分析，相关性系数R2=0.997，表明轴力与温度呈较好的线性关系。钢支撑中间轴力受温度影响的拟合公式，N2=a2×T+b2=31.1×T-838.1 (kN)。支撑中间部位轴力每摄氏度增加约31.1kN。
图4-2钢管支撑中间轴力与温度线性关系图
钢管支撑端部与中间部位受温度影响，轴力的变化水平是不同的，这说明钢管支撑温度次生应力与钢管支撑所处在的周边约束条件有关。通过材料力学分析发现，在相同的温度变化情况下，周边给予的约束越强，产生的温度次生应力就越大，即周边约束刚度越高，由温度变化产生支撑轴力增量越大。因此，围护桩墙刚度高的基坑，钢管支撑若受到阳光暴晒，将受温度影响，出现轴力峰值。
3 钢管支撑端部与中间位置轴力比例关系
钢管支撑受到横向连杆的作用，导致端部与中间位置的轴力分布不均匀。根据钢管支撑端部与中间位置轴力增量关系，可推导出端部与中间位置的应变增量的关系，进而推导出端部与中间位置间轴力的关系。
C=ΔN1/ΔN2=Δε1/Δε2=1.45
式中，C，应变比；ΔN1，端部轴力增量；ΔN2，中间轴力增量；Δε1，端部应变增量；Δε2，中间应变增量。
钢管支撑中间位置N2为埋设仪器时测得的初值，此时应变已经发生，轴力值较大，应变也较大，此时测得的轴力值实际为从埋设到目前的应变增量换算得到的轴力增量，不能代表全部轴力。实际的轴力增量根据中间位置支撑应变关系和端部的支撑应变增量关系换算得到，采用回归分析得到的经验公式进行计算，可得到随温度变化的钢管支撑轴力值。
公式为：N2′=Δε2′×E×A=Δε1′×E×A/C =N1′/1.45= N1/1.45
式中，N1′，钢支撑端部0应变开始到实际轴力值单位为kN；N2′，钢支撑中间0应变开始到实际轴力值单位为kN；Δε2′，钢支撑中间应变量；Δε1′，钢支撑端部应变量；E，钢管材料的弹性模量，单位为N/mm2；A，钢支撑横截面积，单位为mm2；T，钢支撑温度，单位为℃。
4 温度梯度效应
如同孔隙水压力的消散对土体产生渗透力，温度的传递及消散对钢管支撑产生温度次生力。温度存在梯度是温度产生传递及消散的内在原因，温度梯度对轴力产生了一定影响。采用钢管支撑表面测得的温度影响经验公式计算得到的钢管支撑轴力与实测的钢支撑轴力存在差异。轴力的最大值并不一定发生钢管支撑表面温度达到最高的时候，而是发生在钢管支撑整体平均温度最高的时候。
图4-1钢管支撑轴力变化过程线
从图4-1可以看出，根据温度拟合的轴力值与实测轴力值曲线变化规律是一致的，曲线相近，但在温度值较大的13点左右2个小时存在一定出入，这说明根据实测温度拟合所得的轴力值要比实测的轴力值要大，表明钢支撑在13点左右的时间范围内温度变化时存在较大的温度梯度效应，导致实测轴力值与拟合轴力值不一致，温度梯度对支撑轴力存在一定的影响。
6 结论
通过浙江东部沿海某基坑钢管支撑轴力受温度影响现场试验，发现了温度对钢管支撑轴力影響的规律，并得到一些有益结论，可供参考。
（1）温度对钢管支撑轴力的影响较大，建议监测钢管支撑轴力监测时，进行温度同步观测。
（2）9:00时的温度可作为钢管支撑轴力经验公式拟合的特征温度，使用时应注间温度梯度的影响。
（3）根据实测数据，端部支撑轴力要大于中间位置支撑轴力，端部部位轴力约为中间部位轴力的1.45倍；温度对钢管支撑中间部位产生的温度次生应力为3.1t/℃。
（4）在基坑设计及施工过程中，应考虑温度对支撑轴力的影响。气温上升会钢管支撑轴力增长，建议底部开挖选择气温较底的时候，可降低工程风险。
参考文献
[1]徐至钧,赵锡宏.逆作法设计与施工[M].北京:机械工业出版社,2002.
[2]张启运,朱荭,赵锡宏.考虑收缩与温度应力的钢筋混凝土支撑轴力研究[J].岩土工程技术,2000,1:51-54.
[3]吴长胜,田敬学.基坑围护结构度应力分析[J].西部探矿工程,2004,25:17-18.
[4]田敬学.深基坑围护结构温度应力监测与分析[J].施工技术,2006,35(7):21-22.
[5]艾智勇,苏辉.深基坑多层水平支撑温度应力的简化计算方法[J].同济大学学报(自然科学版),2011,39(2): 199-203.
[6]陆培毅,韩丽君.于勇.基坑支护支撑温度应力的有限元分析[J].岩土力学, 29(5):1290-1294.
作者简介：
杨震伟，男(1972-)，汉，浙江杭州人，杭州市铁路投资有限公司,高级工程师
骆介华，男(1965-)，汉，浙江诸暨人，华东勘测设计研究院,高级工程师
崔连忠，男(1983-)，汉，浙江德清人，华东勘测设计研究院,助理工程师
姚三德，男(1984-)，汉，湖北黄冈人，华东勘测设计研究院,助理工程师
戴民，男(1980-)，汉，江苏常熟人，台州市水利水电勘测设计院,工程师
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。