淺談鋼筋混凝土支撐軸力監(jiān)測對比試驗

陳 科, 向貴府, 郝 超, 李虎杰

(西南科技大學環(huán)境與資源學院, 四川綿陽 621010)

淺談鋼筋混凝土支撐軸力監(jiān)測對比試驗

陳 科, 向貴府, 郝 超, 李虎杰

(西南科技大學環(huán)境與資源學院, 四川綿陽 621010)

文章介紹了與實際工程相同的鋼筋混凝土構件為試驗對象，制作時在構件中安裝振弦式鋼筋計和混凝土應變計。通過在大型MTS試驗機上進行加載試驗，在加載與卸載的過程中分別記錄兩種測量儀器的數據，并通過相應的軸力轉換公式進行軸力計算。基于試驗數據，對比兩種混凝土軸力監(jiān)測手段的準確性以及驗證傳統(tǒng)監(jiān)測方法的可靠性。得出在相同情況下，使用混凝土應變計測量的數據更為精確，以及使用更為方便和智能。

振弦式鋼筋計； 混凝土應變計； 加載試驗； 軸力轉換

在擁堵的城市中開挖基坑使用放坡開挖已變得不現實，更多的是采用基坑支護，而鋼筋混凝土支撐是基坑支護系統(tǒng)中重要的組成部分，支撐軸力的監(jiān)測又是支護結構是否處于安全的重要手段和安全依據。目前有很多的學者和工程師都開始研究混凝土支撐軸力的問題。傳統(tǒng)的混凝土軸力監(jiān)測大都是通過鋼筋計的監(jiān)測然后再換算成支撐軸力，雖然在工程中取得一定的效果，但鋼筋計的安裝需要剪斷相應鋼筋然后通過焊接方式使鋼筋計和鋼筋連接起來，這會改變相應的鋼筋強度，從而影響整個鋼筋混凝土構件的強度；在監(jiān)測數據時需要人工每天多次的去測量，使得監(jiān)測效率和獲取數據的效率不高；同時也存在人為的誤差等問題。通過在混凝土中安裝監(jiān)測設備以達到監(jiān)測目的是現在研究的熱點。這是因為在不改變鋼筋混凝土的強度的前提下，能有效地達到監(jiān)測目的。

本文通過室內實驗制作特定目標的鋼筋混凝土結構，并在試驗構件中同時安裝振弦式鋼筋計和混凝土應變計，通過加載實驗所獲得大量監(jiān)測數據進行收集整理與分析，基于監(jiān)測數據對比兩種方法的準確性，同時驗證傳統(tǒng)鋼筋計監(jiān)測方法的可靠性。

1 試驗方法

1.1 模型制作

本次試驗的鋼筋混凝土梁的長度為4 m，截面尺寸為500 mm×400 mm，混凝土梁配筋中主筋采用HRB400型號鋼筋，直徑25 cm，長4 000 mm，共12根，箍筋和加強筋直徑為16 cm，混凝土按C35強度要求進行配制。所獲得的混凝土梁極限軸力可由軸心受壓構件的承載力計算獲得，計算得到極限軸力為4 816.227 kN。

1.2 測量儀器的安裝

根據需要在支撐梁三分之一處四個角點的主筋上通過焊接4個鋼筋計進行截面受力測量。圖1為4個鋼筋計在梁的位置，圖2為鋼筋計位置的截面圖。

圖1 構件模型

圖2 鋼筋計位置的截面

在混凝土支撐梁中心位置處等間距的安裝5個混凝土應變計對其內部應力情況進行測量(圖3)。

圖3 應變計平面位置

捆扎好鋼筋籠后，將試驗的混凝土應變計捆扎到鋼筋上，并將數據線接好，同時記錄在未澆筑混凝土之前各個儀器的初始頻率數值。然后將配好的混凝土倒入模板內進行振動搗實，加工成型的混凝土梁制作完成后按要求進行澆水養(yǎng)護。在養(yǎng)護期間，每天早中晚對4個鋼筋計各監(jiān)測一次，5個混凝土應變計的數據是通過自動化監(jiān)測，監(jiān)測頻率為每兩個小時自動監(jiān)測一次。

1.3 加載試驗

在養(yǎng)護56 d后為了模擬現場開挖過程中混凝土梁受力情況，試驗中將養(yǎng)護好的混凝土梁放置到大型MTS試驗機上進行加載試驗。試驗采用的MTS液壓加載試驗機，設計最大加載量程為1 000 kN，由于反力裝置設備所限，試驗最大加載至800 kN。

試驗共分為16級加載，每級加載50 kN，共加載至800 kN，每級加載維持時間為15 min。卸載時間分為60 min，直到荷載為0。在每級加載中，記錄鋼筋計的讀數和應力計的讀數(圖4)。

圖4 現場試驗

2 軸力監(jiān)測與分析

2.1 振弦式鋼筋計在荷載下頻率的變化

由于加載試驗在養(yǎng)護56 d后進行，所以取加載試驗前測得的鋼筋計頻率值為初始頻率，記錄加載試驗中鋼筋計的讀數如表1所示。

表1 相應荷載下鋼筋計頻率

埋入混凝土中的4個鋼筋計中的3個在加載中頻率的都隨著荷載的增大而減小，這說明鋼筋計處于受壓狀態(tài)。雖然編號為409205的鋼筋計頻率在加載到100 kN時有過短暫的增大，這并不影響在整個加載試驗中編號為409205的鋼筋計是處于受壓狀態(tài)。

編號為408996的鋼筋計在加載試驗進行到0～200 kN時所檢測到的頻率依然是隨著荷載的增大而減小，說明在這個階段中編號為408996的鋼筋計還是處于受壓狀態(tài)。但在隨后200～800 kN加載試驗中該鋼筋計所監(jiān)測到的頻率卻在逐漸的增大，這與其他3個鋼筋計的變化規(guī)律明顯不同。這其中的原因可能是在澆筑混凝土的時候沒有攪拌均勻，使力的傳遞較集中；也可能是在加載試驗當中，整個構架由于擺設的位置或者加載儀器的位置，沒能使構架均勻受力。

2.2 混凝土應變計在荷載下頻率的變化

同理，取加載試驗前測得的應變計頻率值為初始頻率，記錄加載試驗中應變計的讀數(表2)。

表2 相應荷載下應變計的頻率

通過加逐級加載試驗發(fā)現，傳感器也是隨著荷載的加大而頻率逐漸的減小，這說明和鋼筋計一樣，應變計的頻率是因為受到了壓力而減小。但是4號應變計卻一直處于初始值沒有改變，故認為4號應變計已產生故障，在后面軸力的轉換過程中應該舍去4號應變計的值而使用剩余的4個應變計的值加以計算。

3 試驗結果分析

混凝土應變計主要有埋入式和表面式兩種類型，工程中一般采用埋入式。應變計在混凝土澆筑時埋設應有足夠的混凝土保護層厚度，一般不小于250 mm。埋設時應變計應與支撐方向保持平行，并避免混凝土振搗時使應變計發(fā)生轉向、位移。結合已測出的鋼筋應力計的初始頻率、廠家給出的率定系數及計算公式換算出被測鋼筋的應力值，由鋼筋計的應力反算支撐軸力的計算公式為鋼筋應力計算公式。

采用混凝土應變計測量混凝土的應變后反算支撐軸力，其計算公式如下：

Ni=εEcAc

對于采用鋼筋計測量鋼筋應力后反算支撐軸力，傳統(tǒng)軸力計算公式為：

σ=F÷S

式中：σ為被測鋼筋的應力(MPa)；S為被測鋼筋的截面積(m2)。

式中：F為被測鋼筋的力改變量(kN)；K為鋼筋應力計的靈敏度系數(K=K0×K1)；K0為0.000 711 86；K1為出廠標定系數；F1為鋼筋應力計的實時測量頻率(Hz)；F0為鋼筋應力計的初始頻率(Hz)。

利用上述公式并取加載前測得的頻率為初始頻率得出的相應荷載下，鋼筋計和應變計所測得的軸力大小以及相對誤差見表3，理論應力與實際轉換軸力對比見圖5。

圖5 實際應力與計算軸力對比

通過表3，得出隨著荷載的加大，鋼筋計和應變計都隨著加大，且兩種方法所得出的平均軸力相差不大。但通過計算轉化而來的平均軸力還是和相應的加載荷載有一定的誤差，其中鋼筋計的平均軸力百分誤差是6.07 %，應變計的平均軸力百分誤差為4.10 %。但應變計隨著荷載的逐漸加大，百分誤差卻越來越小，這說明應變計相對于鋼筋計來說精度更高。通過圖5對比可知混凝土應變計的轉換軸力更接近實際荷載。

表3 對應荷載下兩種儀器的平均軸力和誤差

4 結束語

通過該室內試驗的研究可以得出如下結論：

(1)鋼筋計和應變計的初始頻率取值為加載試驗前的數值，通過軸力公式轉換出來的平均軸力與加載試驗所加載的荷載能夠很大程度的相符，平均誤差在6.07 %和4.10 %，這說明試驗的有效性。

(2)相對于傳統(tǒng)的鋼筋計監(jiān)測方法，混凝土應變計具有更好的精確度，且在監(jiān)測過程中不需要24 h手動監(jiān)測，還可以通過設置調整監(jiān)測時間的頻率，具有遠程監(jiān)控等優(yōu)點。建議在以后的實際工程中，選擇混凝土應變計監(jiān)測更為方便有效。

[1] 段飛,趙治海,盛云鷗.深基坑鋼筋混凝土支撐軸力監(jiān)測對比試驗研究[J].陜西建筑,2016(1):33-36.

[2] 葉真華,黃飄.基坑支撐軸力實測值與理論計算值對比分析[J].巖土工程界,2009(3):27-30.

[3] 吳增偉,陳曉丹.關于混凝土支撐軸力計算方法的一點看法[J].建筑監(jiān)督檢測與造價,2008(11):52-54.

[4] 趙湘?zhèn)?唐曾智.對基坑監(jiān)測中混凝土支撐軸力計算公式的修正[J].四川建筑,2015(2):94-95.

[5] 潘華.鋼筋混凝土支撐軸力監(jiān)測相關問題的研究[J].低溫建筑技術, 2014,36(2):111-114.

[6] 楊春柳.深基坑混凝土支撐軸力監(jiān)測結果分析研究[J].山西建筑,2013,39(15):69-71.

[7] 姚順雨,林立祥.深基坑支撐軸力測試與分析[J].建筑結構,2012,42(1):112-114.

[8] 高德恒,王小剛,何振元.混凝土支撐軸力監(jiān)測分析[J]. 珠江現代建設,2009(6): 17-20.

[9] 馮波,張志誠,董霞,等.混凝土應力計算的變形法誤差分析及方法改進[J].河海大學學報: 自然科學版,2007,35(2):217-219.

[10] 胡正亮.基坑工程中混凝土支撐應力監(jiān)測結果異常分析[J].西部探礦工程,2007(2):2-3.

[定稿日期]2017-07-12

西南科技大學橫向委托項目(編號:16ZH0231)

陳科(1992～)，男，碩士研究生, 研究方向為工程地質。

向貴府，男， 在讀博士, 講師, 研究方向為工程地質。

TU317+.9

A