陳大江，丘北劉，何 欽，張記峰

（廣東省建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測總站有限公司 廣州 510500）

0 引言

隨著社會、基礎(chǔ)建設(shè)的大力發(fā)展，各大城市的房屋建筑基坑、地鐵等地下結(jié)構(gòu)越建越深，部分基坑設(shè)計深度甚至超過30 m，對支護(hù)體系的穩(wěn)定性提出了更高的要求。鋼筋混凝土內(nèi)支撐是基坑支護(hù)體系的重要組成部分，隨著城市建設(shè)的發(fā)展，城區(qū)用地越發(fā)緊張，加上近年來城市人口日益增多，為了滿足相應(yīng)的城市配套設(shè)施，很多綜合商業(yè)、住宅樓由地上向地下發(fā)展。因此，內(nèi)支撐在城區(qū)的基坑建設(shè)過程中使用率越來越高。支撐軸力是判定支撐支護(hù)體系甚至整個基坑安全的重要指標(biāo)，《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：GB 50497—2019》［1］明確指出，支撐軸力在一二級基坑工程中為應(yīng)測項。

然而，目前實際監(jiān)測工作中，支撐軸力的監(jiān)測值往往比設(shè)計值要大［2-4］，在很多的實際監(jiān)測項目中，甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計報警值，但附近支護(hù)體系未有出現(xiàn)裂縫或是傾斜等異常情況；且在支撐軸力報警區(qū)域內(nèi)的其他監(jiān)測項目，比如冠梁的水平位移，支護(hù)樁的深層水平位移、周邊地表沉降、周邊地下水位等監(jiān)測項的監(jiān)測值亦處于設(shè)計值范圍內(nèi)。為此，本文也對相關(guān)研究進(jìn)行了調(diào)研：潘華［5］和周文等人［6］研究發(fā)現(xiàn)影響鋼筋混凝土支撐軸力精度的主要因素有混凝土彈性模量、混凝土溫度、支撐彎矩、混凝土的收縮與徐變等；蔡書勇［7］認(rèn)為混凝土產(chǎn)生裂縫后，再采用傳統(tǒng)的軸力計算公式計算支撐軸力已不合適；吳連祥等人［2］認(rèn)為實測軸力往往達(dá)設(shè)計軸力的2～3 倍，甚至更高，實際軸力僅是實測軸力的40%左右，這樣的實測數(shù)據(jù)已失去指導(dǎo)意義，容易造成設(shè)計、施工的無所適從，妨礙設(shè)計水平的提高，必須盡快尋找切合實際的監(jiān)測替代方法，或?qū)ΤＳ玫谋O(jiān)測方法進(jìn)行改進(jìn)；陳進(jìn)河等人［8］和肖振燁等人 采用修正公式對監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行修正，剔除了混凝土收縮、徐變及應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系非線性的影響，修正后的軸力更加符合實際；李懷良等人［10］提出了一種加權(quán)平均應(yīng)變計的混凝土支撐軸力監(jiān)測新方法。由此可見，在混凝土支撐軸力監(jiān)測方面，普遍存在監(jiān)測不準(zhǔn)確的情況，甚至有些學(xué)者開始研究新的替代方法。

為優(yōu)化支撐軸力的監(jiān)測過程以提升軸力監(jiān)測精度；在上述研究基礎(chǔ)上，本文提出一種以拉線位移計、激光位移計測量鋼筋混凝土支撐梁的軸向變形量，再結(jié)合支撐梁的截面積、彈性模量計算支撐軸力的監(jiān)測新方法。

1 傳統(tǒng)混凝土支撐軸力監(jiān)測方法

1.1 支撐軸力的監(jiān)測方法

目前對鋼筋混凝土支撐軸力監(jiān)測的常用方法是把鋼筋應(yīng)力計、混凝土應(yīng)變計等傳感器埋設(shè)在鋼筋混凝土支撐內(nèi)，或是把混凝土表面應(yīng)變計貼在混凝土支撐的表面進(jìn)行監(jiān)測，通過測定傳感器的頻率變化得出鋼筋混凝土支撐梁的應(yīng)變量，再結(jié)合鋼筋混凝土支撐的鋼筋和混凝土的彈性模量及鋼筋混凝土支撐的截面積計算得出支撐軸力。

1.1.1 支撐軸力布設(shè)方式

⑴埋設(shè)鋼筋應(yīng)力計時，先將配套的連接鋼筋與鋼筋計通過螺紋連接，切斷主筋，把連接好的鋼筋計焊接到主筋上；焊接時采用水流冷卻措施，以防溫度過高損壞電磁線圈或改變鋼弦性能，影響監(jiān)測精度，且應(yīng)確保鋼筋計與被測鋼筋在同一軸線上，焊接長度應(yīng)不少于5倍鋼筋直徑且雙面焊接?；蚩稍谥鹘钌霞庸ぢ菁y，與鋼筋應(yīng)力計通過螺紋直接連接。

⑵埋設(shè)混凝土應(yīng)變計時，可用鐵絲直接綁扎在主筋上，并牢固固定。

⑶對于混凝土支撐，支撐軸力監(jiān)測點每組應(yīng)埋設(shè)4 個鋼筋應(yīng)力計或混凝土應(yīng)變計，分別埋設(shè)在混凝土支撐截面4個側(cè)邊中心位置。同組鋼筋計宜分別采用4 種不同顏色的導(dǎo)線，不同混凝土支撐的同向側(cè)邊埋設(shè)的鋼筋計應(yīng)采用同一顏色的導(dǎo)線，如圖1所示。

圖1 混凝土支撐鋼筋計布置示意圖Fig.1 Layout of Concrete Support Reinforcement Meter

1.1.2 支撐軸力計算公式

鋼筋計量測混凝土支撐軸力的計算公式和應(yīng)變計量測混凝土支撐軸力的計算公式分別由式⑴和式⑶給出。

式中：Nc為支撐軸力（kN）；Ec、Et分別為混凝土和鋼筋的彈性模量（kN/mm2）；Ac、At分別為混凝土截面積和鋼筋截面面積（mm2）；σt為鋼筋計平均應(yīng)力（kN/mm2）；kj為鋼弦式鋼筋計/應(yīng)變計常數(shù)（kN/Hz2）；fji為鋼筋計/應(yīng)變計測量自振頻率（Hz）；fj0為鋼筋計/應(yīng)變計測量自振頻率（Hz）；Ajs為第j個鋼筋計截面積（mm2）。

1.2 支撐軸力監(jiān)測方法的弊端

由支撐軸力的計算式⑴和式⑶可知，鋼筋混凝土支撐軸力的計算是把測得的應(yīng)變值直接乘以鋼筋混凝土支撐的截面積和鋼筋混凝土的彈性模量，在計算的過程中，未考慮溫度變化、混凝土收縮、徐變等因素影響，因此計算出來的支撐軸力要比設(shè)計值偏大。支撐軸力監(jiān)測值大于實際值，會給設(shè)計方復(fù)核基坑支護(hù)體系安全數(shù)據(jù)造成一定的影響，既浪費人工成本也浪費時間成本。

另外，目前鋼筋混凝土支撐軸力的常用監(jiān)測方法是在混凝土支撐里面埋設(shè)傳感器，該種監(jiān)測模式在施工過程中很容易受到影響，如傳感器或是信號線在混凝土澆筑振搗時遭到破壞；若傳感器遭到破壞，基本無法進(jìn)行補救，考慮到支撐受自重影響，上下截面受力不均勻，單一傳感器破壞后，在軸力計算過程中一般取完好的對角傳感器監(jiān)測值進(jìn)行計算。若支撐體系受力不均勻，支撐軸力偏心會造成計算出來的軸力值與設(shè)計值偏差較大。

2 支撐軸力監(jiān)測新方法

前文所述皆為傳統(tǒng)的監(jiān)測手段，通過混凝土支撐的應(yīng)變、支撐截面積、鋼筋混泥土彈性模量計算出鋼筋混凝土支撐軸力；然而，測量鋼筋混凝土支撐應(yīng)變除傳感器外，亦可通過測量鋼筋混凝土支撐梁的長度變化來計算出支撐梁的應(yīng)變量。李兆源［11］的研究中提出：除電測法外，還可通過傳統(tǒng)測量方法測量支撐梁上某兩點之間開挖前和開挖后的距離，從而計算出支撐的應(yīng)變量。但文獻(xiàn)［11］采用的是傳統(tǒng)的全站儀測量支撐兩端距離，因精度原因，采用全站儀難以較好地測量出鋼筋混凝土的支撐軸力變化情況。

在前者的基礎(chǔ)上，本文對支撐軸力監(jiān)測新方法進(jìn)一步的研究，采用拉線位移計、激光位移計等監(jiān)測支撐兩端變形，算出支撐應(yīng)變，并分析這2種監(jiān)測儀器的精度及適用性。

2.1 拉線位移計法

擬采用拉線位移計測量混凝土支撐梁的長度，在混凝土支撐梁的一端固定傳感器，采用1.5 mm粗的鋼絲繩水平連接在支撐梁另一端的固定點。當(dāng)支撐梁發(fā)生軸向變形時，拉線位移計的拉繩會隨著支撐梁的變形而發(fā)生伸展和收縮，用鋼絲繩發(fā)生的距離變化量△與兩端點的距離L計算得出鋼筋混凝土支撐梁的應(yīng)變量ε，拉線位移計如圖2所示。

圖2 拉線位移計Fig.2 Wire Displacement Meter

拉線位移計參數(shù)：測量行程0～6 000 mm，分辨力0.003 mm/脈沖，精度：0.05%FS，工作溫度-25～+85 ℃。

2.2 激光位移計法

激光位移計利用激光發(fā)射點和光斑位置采集儀之間的相對位移，結(jié)合機械傳動技術(shù)與自平衡校正功能來實現(xiàn)高精度監(jiān)測，測量出鋼筋混凝土支撐梁的兩點間距離變化量，工作原理如圖3所示。

圖3 激光位移工作原理Fig.3 Working Principle of Laser Displacement

激光位移計技術(shù)參數(shù)：水平位移量程0～100 m，水平位移精度0.5 mm。

2.3 支撐軸力監(jiān)測新方法的測量誤差分析

目前支撐軸力監(jiān)測采用的是間接監(jiān)測方法，通過監(jiān)測傳感器測得混凝土支撐梁的應(yīng)變，而后根據(jù)材料力學(xué)計算公式算出支撐軸力。而混凝土支撐梁的應(yīng)變不僅可以通過傳感器測出，亦可以通過監(jiān)測混凝土支撐梁軸向變形計算出。假設(shè)混凝土支撐梁的初始長度為L0，Ln為第n次測量的支撐長度，則混凝土支撐梁的應(yīng)變量為：

設(shè)L0誤差為a0，Ln的誤差為an，那么，計算出的混凝土支撐梁的軸力誤差等于：

因a0=an，化簡得，△= 2·EA·a0/L0，由式⑺可知，當(dāng)支撐梁的長度越長、位移測量精度越小，則軸力誤差值越小。

若采用拉線位移計進(jìn)行測量，且支撐截面為0.8 m×0.8 m，按最大量程計算，則：

測量中誤差= 2×EA×0.05%=13 574 kN

若采用激光位移計進(jìn)行測量，按最大量程100 m計算，則：

測量中誤差= 2×EA×0.5/105=135.74 kN

由上述兩款設(shè)備的測量中誤差來看，拉線位移計因為量程和精度原因，達(dá)不到目前軸力監(jiān)測的精度要求。

參考位移觀測中的對于新方法的誤差要求，測定中誤差需在變形允許值的1/10～1/20 以下［13］，由此可以計算出支撐梁軸力的允許值，然后在實際工程中，把支撐軸力設(shè)計容許值與允許值進(jìn)行對比，若支撐軸力設(shè)計容許值大于允許值，則可以采用激光位移計進(jìn)行監(jiān)測，反之，若支撐軸力設(shè)計容許值小于允許值，則不適合采用激光位移計進(jìn)行監(jiān)測。

以50 m 長而截面為1 m×1 m 的支撐為例，根據(jù)上述計算公式計算出的測量中誤差為424 kN。若支撐軸力設(shè)計容許值超過8 480 kN（424 kN 的20倍），則采用激光位移計測量支撐軸力的精度能夠滿足測量需求。

3 結(jié)論

為提高鋼筋混凝土支撐軸力監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，本文提出一種采用拉線位移計、激光位移計測量鋼筋混凝土支撐梁的軸向變形量來計算軸力的新方法；并通過誤差驗算，本文初步驗證了采用激光位移計測量鋼筋混凝土支撐軸力的可行性。本文所得主要結(jié)論如下：

⑴采用新方法的測量精度與支撐長度與位移測量精度有較大的關(guān)系，位移測量精度越高、支撐長度越長則鋼筋混凝土支撐軸力誤差越小。

⑵根據(jù)與支撐軸力設(shè)計容許值的對比，能計算出新方法的適用性。如支撐長50 m，支撐截面為1 m×1 m，若支撐軸力設(shè)計容許值超過8 480 kN，則采用激光位移計測量鋼筋混凝土支撐軸力是可行的。

⑶新方法可以避免應(yīng)力集中引起的測量偏差。

由于缺乏現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)支撐，本文仍然需要進(jìn)一步的進(jìn)行研究與探討。雖然缺乏現(xiàn)場的實際數(shù)據(jù)，但是從理論的角度出發(fā)，采用激光位移計直接測量混凝土支撐軸力的軸向變形量來計算混凝土支撐的應(yīng)變值，從而結(jié)合混凝土支撐梁的截面積、彈性模量來計算支撐軸力的方法，在現(xiàn)實工程應(yīng)用中是值得推廣的。