陳 科, 向貴府, 郝 超, 李虎杰

(西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院, 四川綿陽 621010)

淺談鋼筋混凝土支撐軸力監(jiān)測對(duì)比試驗(yàn)

陳 科, 向貴府, 郝 超, 李虎杰

(西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院, 四川綿陽 621010)

文章介紹了與實(shí)際工程相同的鋼筋混凝土構(gòu)件為試驗(yàn)對(duì)象，制作時(shí)在構(gòu)件中安裝振弦式鋼筋計(jì)和混凝土應(yīng)變計(jì)。通過在大型MTS試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行加載試驗(yàn)，在加載與卸載的過程中分別記錄兩種測量儀器的數(shù)據(jù)，并通過相應(yīng)的軸力轉(zhuǎn)換公式進(jìn)行軸力計(jì)算?；谠囼?yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)比兩種混凝土軸力監(jiān)測手段的準(zhǔn)確性以及驗(yàn)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(yīng)變計(jì)測量的數(shù)據(jù)更為精確，以及使用更為方便和智能。

振弦式鋼筋計(jì)； 混凝土應(yīng)變計(jì)； 加載試驗(yàn)； 軸力轉(zhuǎn)換

在擁堵的城市中開挖基坑使用放坡開挖已變得不現(xiàn)實(shí)，更多的是采用基坑支護(hù)，而鋼筋混凝土支撐是基坑支護(hù)系統(tǒng)中重要的組成部分，支撐軸力的監(jiān)測又是支護(hù)結(jié)構(gòu)是否處于安全的重要手段和安全依據(jù)。目前有很多的學(xué)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(jì)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(jì)的安裝需要剪斷相應(yīng)鋼筋然后通過焊接方式使鋼筋計(jì)和鋼筋連接起來，這會(huì)改變相應(yīng)的鋼筋強(qiáng)度，從而影響整個(gè)鋼筋混凝土構(gòu)件的強(qiáng)度；在監(jiān)測數(shù)據(jù)時(shí)需要人工每天多次的去測量，使得監(jiān)測效率和獲取數(shù)據(jù)的效率不高；同時(shí)也存在人為的誤差等問題。通過在混凝土中安裝監(jiān)測設(shè)備以達(dá)到監(jiān)測目的是現(xiàn)在研究的熱點(diǎn)。這是因?yàn)樵诓桓淖冧摻罨炷恋膹?qiáng)度的前提下，能有效地達(dá)到監(jiān)測目的。

本文通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)制作特定目標(biāo)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，并在試驗(yàn)構(gòu)件中同時(shí)安裝振弦式鋼筋計(jì)和混凝土應(yīng)變計(jì)，通過加載實(shí)驗(yàn)所獲得大量監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行收集整理與分析，基于監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)比兩種方法的準(zhǔn)確性，同時(shí)驗(yàn)證傳統(tǒng)鋼筋計(jì)監(jiān)測方法的可靠性。

1 試驗(yàn)方法

1.1 模型制作

本次試驗(yàn)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(hào)鋼筋，直徑25 cm，長4 000 mm，共12根，箍筋和加強(qiáng)筋直徑為16 cm，混凝土按C35強(qiáng)度要求進(jìn)行配制。所獲得的混凝土梁極限軸力可由軸心受壓構(gòu)件的承載力計(jì)算獲得，計(jì)算得到極限軸力為4 816.227 kN。

1.2 測量儀器的安裝

根據(jù)需要在支撐梁三分之一處四個(gè)角點(diǎn)的主筋上通過焊接4個(gè)鋼筋計(jì)進(jìn)行截面受力測量。圖1為4個(gè)鋼筋計(jì)在梁的位置，圖2為鋼筋計(jì)位置的截面圖。

圖1 構(gòu)件模型

圖2 鋼筋計(jì)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(gè)混凝土應(yīng)變計(jì)對(duì)其內(nèi)部應(yīng)力情況進(jìn)行測量(圖3)。

圖3 應(yīng)變計(jì)平面位置

捆扎好鋼筋籠后，將試驗(yàn)的混凝土應(yīng)變計(jì)捆扎到鋼筋上，并將數(shù)據(jù)線接好，同時(shí)記錄在未澆筑混凝土之前各個(gè)儀器的初始頻率數(shù)值。然后將配好的混凝土倒入模板內(nèi)進(jìn)行振動(dòng)搗實(shí)，加工成型的混凝土梁制作完成后按要求進(jìn)行澆水養(yǎng)護(hù)。在養(yǎng)護(hù)期間，每天早中晚對(duì)4個(gè)鋼筋計(jì)各監(jiān)測一次，5個(gè)混凝土應(yīng)變計(jì)的數(shù)據(jù)是通過自動(dòng)化監(jiān)測，監(jiān)測頻率為每兩個(gè)小時(shí)自動(dòng)監(jiān)測一次。

1.3 加載試驗(yàn)

在養(yǎng)護(hù)56 d后為了模擬現(xiàn)場開挖過程中混凝土梁受力情況，試驗(yàn)中將養(yǎng)護(hù)好的混凝土梁放置到大型MTS試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行加載試驗(yàn)。試驗(yàn)采用的MTS液壓加載試驗(yàn)機(jī)，設(shè)計(jì)最大加載量程為1 000 kN，由于反力裝置設(shè)備所限，試驗(yàn)最大加載至800 kN。

試驗(yàn)共分為16級(jí)加載，每級(jí)加載50 kN，共加載至800 kN，每級(jí)加載維持時(shí)間為15 min。卸載時(shí)間分為60 min，直到荷載為0。在每級(jí)加載中，記錄鋼筋計(jì)的讀數(shù)和應(yīng)力計(jì)的讀數(shù)(圖4)。

圖4 現(xiàn)場試驗(yàn)

2 軸力監(jiān)測與分析

2.1 振弦式鋼筋計(jì)在荷載下頻率的變化

由于加載試驗(yàn)在養(yǎng)護(hù)56 d后進(jìn)行，所以取加載試驗(yàn)前測得的鋼筋計(jì)頻率值為初始頻率，記錄加載試驗(yàn)中鋼筋計(jì)的讀數(shù)如表1所示。

表1 相應(yīng)荷載下鋼筋計(jì)頻率

埋入混凝土中的4個(gè)鋼筋計(jì)中的3個(gè)在加載中頻率的都隨著荷載的增大而減小，這說明鋼筋計(jì)處于受壓狀態(tài)。雖然編號(hào)為409205的鋼筋計(jì)頻率在加載到100 kN時(shí)有過短暫的增大，這并不影響在整個(gè)加載試驗(yàn)中編號(hào)為409205的鋼筋計(jì)是處于受壓狀態(tài)。

編號(hào)為408996的鋼筋計(jì)在加載試驗(yàn)進(jìn)行到0～200 kN時(shí)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(gè)階段中編號(hào)為408996的鋼筋計(jì)還是處于受壓狀態(tài)。但在隨后200～800 kN加載試驗(yàn)中該鋼筋計(jì)所監(jiān)測到的頻率卻在逐漸的增大，這與其他3個(gè)鋼筋計(jì)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(shí)候沒有攪拌均勻，使力的傳遞較集中；也可能是在加載試驗(yàn)當(dāng)中，整個(gè)構(gòu)架由于擺設(shè)的位置或者加載儀器的位置，沒能使構(gòu)架均勻受力。

2.2 混凝土應(yīng)變計(jì)在荷載下頻率的變化

同理，取加載試驗(yàn)前測得的應(yīng)變計(jì)頻率值為初始頻率，記錄加載試驗(yàn)中應(yīng)變計(jì)的讀數(shù)(表2)。

表2 相應(yīng)荷載下應(yīng)變計(jì)的頻率

通過加逐級(jí)加載試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，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(jì)一樣，應(yīng)變計(jì)的頻率是因?yàn)槭艿搅藟毫Χ鴾p小。但是4號(hào)應(yīng)變計(jì)卻一直處于初始值沒有改變，故認(rèn)為4號(hào)應(yīng)變計(jì)已產(chǎn)生故障，在后面軸力的轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)該舍去4號(hào)應(yīng)變計(jì)的值而使用剩余的4個(gè)應(yīng)變計(jì)的值加以計(jì)算。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

混凝土應(yīng)變計(jì)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(yīng)變計(jì)在混凝土澆筑時(shí)埋設(shè)應(yīng)有足夠的混凝土保護(hù)層厚度，一般不小于250 mm。埋設(shè)時(shí)應(yīng)變計(jì)應(yīng)與支撐方向保持平行，并避免混凝土振搗時(shí)使應(yīng)變計(jì)發(fā)生轉(zhuǎn)向、位移。結(jié)合已測出的鋼筋應(yīng)力計(jì)的初始頻率、廠家給出的率定系數(shù)及計(jì)算公式換算出被測鋼筋的應(yīng)力值，由鋼筋計(jì)的應(yīng)力反算支撐軸力的計(jì)算公式為鋼筋應(yīng)力計(jì)算公式。

采用混凝土應(yīng)變計(jì)測量混凝土的應(yīng)變后反算支撐軸力，其計(jì)算公式如下：

Ni=εEcAc

對(duì)于采用鋼筋計(jì)測量鋼筋應(yīng)力后反算支撐軸力，傳統(tǒng)軸力計(jì)算公式為：

σ=F÷S

式中：σ為被測鋼筋的應(yīng)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(yīng)力計(jì)的靈敏度系數(shù)(K=K0×K1)；K0為0.000 711 86；K1為出廠標(biāo)定系數(shù)；F1為鋼筋應(yīng)力計(jì)的實(shí)時(shí)測量頻率(Hz)；F0為鋼筋應(yīng)力計(jì)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(yīng)荷載下，鋼筋計(jì)和應(yīng)變計(jì)所測得的軸力大小以及相對(duì)誤差見表3，理論應(yīng)力與實(shí)際轉(zhuǎn)換軸力對(duì)比見圖5。

圖5 實(shí)際應(yīng)力與計(jì)算軸力對(duì)比

通過表3，得出隨著荷載的加大，鋼筋計(jì)和應(yīng)變計(jì)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(jì)算轉(zhuǎn)化而來的平均軸力還是和相應(yīng)的加載荷載有一定的誤差，其中鋼筋計(jì)的平均軸力百分誤差是6.07 %，應(yīng)變計(jì)的平均軸力百分誤差為4.10 %。但應(yīng)變計(jì)隨著荷載的逐漸加大，百分誤差卻越來越小，這說明應(yīng)變計(jì)相對(duì)于鋼筋計(jì)來說精度更高。通過圖5對(duì)比可知混凝土應(yīng)變計(jì)的轉(zhuǎn)換軸力更接近實(shí)際荷載。

表3 對(duì)應(yīng)荷載下兩種儀器的平均軸力和誤差

4 結(jié)束語

通過該室內(nèi)試驗(yàn)的研究可以得出如下結(jié)論：

(1)鋼筋計(jì)和應(yīng)變計(jì)的初始頻率取值為加載試驗(yàn)前的數(shù)值，通過軸力公式轉(zhuǎn)換出來的平均軸力與加載試驗(yàn)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(yàn)的有效性。

(2)相對(duì)于傳統(tǒng)的鋼筋計(jì)監(jiān)測方法，混凝土應(yīng)變計(jì)具有更好的精確度，且在監(jiān)測過程中不需要24 h手動(dòng)監(jiān)測，還可以通過設(shè)置調(diào)整監(jiān)測時(shí)間的頻率，具有遠(yuǎn)程監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn)。建議在以后的實(shí)際工程中，選擇混凝土應(yīng)變計(jì)監(jiān)測更為方便有效。

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[定稿日期]2017-07-12

西南科技大學(xué)橫向委托項(xiàng)目(編號(hào):16ZH0231)

陳科(1992～)，男，碩士研究生, 研究方向?yàn)楣こ痰刭|(zhì)。

向貴府，男， 在讀博士, 講師, 研究方向?yàn)楣こ痰刭|(zhì)。

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