混凝土支撑内外部温差对轴力影响分析

□文 /李晓勇

钢筋混凝土支撑是深基坑围护体系中重要的组成部分。在基坑开挖前，钢筋混凝土支撑在环境温度变化的作用下，由于两边受到地下连续墙的约束，会产生轴向力。李继超[1]的研究成果表明，在昼夜温差影响下，钢筋混凝土支撑的轴力变化范围可达到30%，故在设计计算钢筋混凝土支撑时不考虑温度影响下的轴力是很不安全的。目前，很多学者已经开始注意到温度对钢筋混凝土支撑的轴力影响。

郑刚等[2]基于基坑开挖后，钢筋混凝土支撑受温度影响产生轴力和土体对其反力相平衡的原理，推导出了考虑支撑-围护桩-土体相互作用的温度应力的理论计算方法。吴明等[3]基于郑刚的研究成果，进一步推导出适合多层支撑体系的温度应力计算方法。吴长胜[4]将温度应力分布函数引入钢筋混凝土支撑轴力计算公式，推导出了解析解。陆培毅等[5]利用ABAQUS有限元软件，模拟温度场与应力场耦合的钢筋混凝土支撑受力情况。艾智勇等[6]基于文克尔地基模型，把连续墙的刚度作为一个参数引入到计算多层钢筋混凝土支撑温度应力的过程中。鲁智明[7]、姚顺雨等[8]均基于工程检测数据，分析了钢筋计测量误差的原因。潘华等[9]考虑了压弯作用下温度效应对钢筋混凝土支撑的影响。

以往研究大多采用理论分析和数值计算方法，基于工程现场实测的研究较少。本文在一天中的不同时间点，分别测量支撑表面和内部温度；在多天测量数据的基础上，研究钢筋混凝土支撑轴力受温度影响的关系。

1 钢筋混凝土轴力测量值的温度修正

目前测量钢筋应力的主要仪器为钢弦式钢筋计。钢弦式钢筋计是将一根长度已知的钢弦两端固定在钢筋上，随着钢筋的变形钢弦长度也发生变化，进而其自振频率也发生变化。通过测量钢弦的自振频率，就可以测得钢弦的长度，进而测得钢筋的伸长量。目前采用钢弦式钢筋计的钢筋轴力计算公式为

式中：FS——钢筋轴力，kN；

f0——初始读数，Hz；

fm——当前读数，Hz；

k——率定系数，kN/1000Hz2。

考虑到温度修正，大多数钢筋计厂家给出的温度修正公式为

式中：b——温度补偿系数，kN/℃；

△t——温差，℃。

但是钢筋计厂家给出的计算公式中，温度修正系数是钢筋计在大气温度中测试得到的结果，其数值往往很小。在实际工程中，钢筋计埋置于混凝土中，受到混凝土的约束，钢筋计的变形应该扣除混凝土的变形。故文献[3]中给出的修正后的钢筋计测量钢筋轴力的公式为

式中：αs——钢弦的线膨胀系数；

αc——混凝土的线膨胀系数；

AS——钢筋截面积；

ES——钢材弹性模量。

上述公式虽然考虑了实际工程中钢筋计埋置在混凝土中时的温度补偿系数，但是采用的仍然是大气温度。由于钢筋计埋置于混凝土中，故引起钢筋计温度变形的应该是混凝土内部温度。在混凝土养护达到龄期后，其水化过程基本完成，其后混凝土的水化热可忽略不计，可认为混凝土本身不发热。由于混凝土是温度的不良导体，其内部温度相对于环境温度有一定的滞后性，所以直接采用环境温度计算钢筋计的温度应力是不准确的。

本文与实际工程相结合，具体讨论混凝土内部温度相对于环境温度的滞后性对钢筋计测量结果的影响，同时将讨论1d中钢筋混凝土支撑的轴力变化过程，以期对实际施工有所指导。

2 工程概况

天津地铁某换乘车站为800m半径曲线站，标准段深25.6m，盾构井深27.3m，基坑采用明挖法施工，地下连续墙围护和内支撑的支护体系。在天津市的明挖车站中属于超深基坑。

地下连续墙厚1m，标准段基坑深25.6m，墙长48.5m，其中有效钢筋混凝土地下连续墙长44.5m，素混凝土墙长4m；端头井段墙厚1m，基坑深27.3m，墙长48.5m，其中有效钢筋混凝土地下连续墙长46.5m。

基坑从上到下共设有5道支撑，支撑截面尺寸为1000mm×800mm；混凝土强度等级为C30，弹性模量为 3×104N/mm2；钢筋采用 HRB335，直径为 28mm，共20根，弹性模量为2.06×105N/mm2。

3 支撑轴力计算

第一道混凝土支撑施工完毕，未进行土方开挖时，选择直撑和斜撑2个测点，分别为ZCL-01、ZCL-02，每个测点布置2个钢筋计。在准备监测的混凝土支撑钢筋绑扎期间，将钢筋计布置在纵筋上。钢筋计的两端分别搭接焊接在纵向钢筋上，搭接长度应满足搭接焊接的规范要求，见图1-图3。焊接时采用冷却措施（湿布包裹住钢筋计），以防温度过高损坏电磁线圈和改变钢弦性能。观测时记录环境温度和钢筋混凝土内部温度。混凝土内部温度的测量采用智能温度测温计。

图1 钢筋计传感器布置

图2 钢筋混凝土支撑截面

图3 钢筋计现场安装

由于基坑还未开挖，钢筋混凝土支撑所受的力仅仅是由温度变化所引起的轴压力。由钢筋计的读数计算钢筋混凝土支撑的轴力。

钢筋混凝土支撑轴力由混凝土部分所受轴力和钢筋受轴力组成

混凝土与钢筋的变形协调一致

可得到混凝土部分受轴力为

将式（6）带入式（4）可得钢筋混凝土支撑受轴力

式中：F——钢筋混凝土梁轴力，kN；

FS——单根钢筋轴力，kN；

Fc——混凝土部分所受轴力，kN；

Ec——混凝土弹性模量，取3×104N/mm2；

Es——钢筋的弹性模量，取2.06×105N/mm2；

A0——钢筋混凝土支撑的截面积，取0.8m2；

As——单根钢筋的截面积，取6.15×10-4m2；

n——钢筋数量，取20根；

m——混凝土部分受轴力放大系数，。

钢筋计测量的钢筋轴力FS采用式（3）进行修正。

由于钢筋埋置在混凝土内部，故直接采用环境温度来计算支撑轴力是不准确的，采用混凝土内部钢筋处的温度较为合理。本工程连续测量7d，测量每天7∶00、10∶00、14∶00、18∶00环境温度和混凝土内部温度，其中环境温度为支撑表面温度，内部温度由预埋在支撑内部的PVC管内测量得到，计算的支撑轴力结果见图4和图5。

图4 ZCL-01传感器测量轴力

图5 ZCL-02传感器测量轴力

由图4和图5可以看出：

1）混凝土内部温度和外部环境温度差异较大，最大差距34.8%，混凝土内部温度相对于外部环境温度有滞后性；混凝土内部温度变化量较外部环境温度较小，比较稳定；

2）由混凝土内部温度计算出来的钢筋混凝土支撑轴力小于环境温度计算出来的钢筋混凝土支撑轴力且二者差异较大，最大差距34.5%；由环境温度计算出来的钢筋混凝土支撑轴力变化较为剧烈，由混凝土内部温度计算出来的钢筋混凝土支撑轴力相对稳定，变化量较小。

综上所述，采用环境温度对钢筋混凝土支撑轴力进行修正是不准确的，与实际值差距较大，所以当对钢筋混凝土支撑轴力进行温度修正的时候应采用混凝土内部温度。

4 结论

1）钢筋混凝土支撑轴力计算时应考虑温度效应，对轴力进行温度补偿，否则将低估混凝土支撑的轴力。

2）对轴力进行温度补偿时，应该采用混凝土内部温度；由环境温度计算出来的钢筋混凝土支撑轴力比实际值大且明显受环境温度变化影响较大。

3）夏季施工时，建议增加混凝土支撑的保温措施，减小环境温度对支撑轴力的影响。□■

[1]李继超.温度对混凝土支撑轴力影响的探讨[J].施工技术，2000，29（1）：60.

[2]郑 刚，顾晓鲁.考虑支撑-围护桩-土相互作用的基坑支护水平支撑温度应力的简化分析法[J].土木工程学报，2002，35（3）：87-89.

[3]吴 明，孙鸣宇，夏唐代，等.多层支撑深基坑中考虑支撑-围护桩-土相互作用的水平支撑温度应力简化计算方法[J].土木工程学报，2009，42（1）：91-94.

[4]吴长胜，田敬学.基坑围护结构温度应力分析[J].西部探矿工程，2004，16（5）：17-18.

[5]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，2008，29（5）：1290-1294.

[6]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.

[7]鲁智明，和再良，陈 刚.基坑工程监测中钢筋混凝土支撑轴力测试计算方法[J].上海地质，2010，（1）：46-49.

[8]姚顺雨，林立祥.深基坑支撑轴力测试与分析[J].建筑结构，2012，（1）：112-114.

[9]潘 华，褚伟洪，戴加东.压弯荷载作用下钢筋混凝土支撑温度效应分析[J].建筑结构，2013，（18）：70-73.