围护结构中钢筋砼支撑轴力和变形的研究.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流围护结构中钢筋砼支撑轴力和变形的研究.精品文档.围护结构中钢筋砼支撑轴力和变形的研究2_工程力学增刊1999年围护结构中钢筋砼支撑轴力和变形的研究(上海港湾摘要支撑轴力和变形是验证围护结构设计是否合理,施工期是否安全的重要依据,长期以来其现场的实测值和设计值始终存在很大的差异,使监控实际上处于失控的情况.为了提高设计水平,保证基坑的施工安全,使其处于完全有效的控制之中,通过试验研究,认为对受长期荷载作用下的砼支撑,必须考虑非荷载因素的影响,并提出了相应计算理论和计算方法.工程实倒证明此理论是正确的,计算结果是台理的,建筑地下部分设计施工的要求

2、,作为挡土结构物的基坑围护结构的设计计算和测试变得越来越重要了.围护结构(亦称基坑支护结构)一般由桩,土,支撑各部分组成,不但受力情况复杂,还要受时间,温度,施工工艺等各种因素的影响.目前采用的设计计算方法和选用的参数还很不成熟,为了提高设计的水平,对围护结构的受力特性有一个正确的认识,急需用实测资料来进行验证和改进.而支撑轴力的大小是了解围护结构的受力特性,监测结构物的安全性的最重要的依据.按常规的测试方法,测试的应变和轴力一般是设计值的23倍,有时甚至更大.由于一直没找到一个很好的解决方法,使大量测试数据失去了实际的意义,严重阻碍了设计水平的提高.虽然为了增加围护结构的可靠性而花费了大量的

3、人力和物力,但失事的现象仍不断发生,这个情况是目前在围护结构现场测试中一个普遍遇到的问题,96年上海中商大厦砼支撑中测试的轴力远大于支撑所能承受的能力,为此对支撑进行了紧急加固处理,实际结果是加固的措施投起到作用,测得的支撑轴力仍在不断增加,而围护结构却没有如人们意料的那样发生坍塌破坏现象,实际轴力究竟是多少成为了一个十分重要的问题.为了改变目前围护结构设计凭经验,现场监测靠感觉的不正常局面,组织了人力进行攻关,认为问题关键是对钢筋砼材料的性能研究不够,也就是说埋设在钢筋砼中量测钢筋应力(应变)的钢筋计测到的应力并非全部由荷载产生的,还有多种非荷载因素产生的附加应力,而引起非荷载应力的主要原因

4、有砼的干缩和湿胀,砼徐变和构件温度变化等.要测到实际外荷载引起支撑的轴力,必须去掉非荷载因素的影响2非荷载因素对轴力测试的影响21砼干缩和湿胀引起的附加应力设有一钢筋砼立柱.如图l,如不考虑钢筋的影响,砼干缩时可产生干缩变形,当叶万是,男,t943出生.高级工程师本文作者为r叶万灵,黄平,胡丈德,吕其光,对蔷玲,王林(工程力学增刊1999年?577?设置了钢筋后,由于钢筋没有干缩,考虑到其共同变形,由于钢筋的阻止仅产生了变形,显然钢筋受到了附加压应力,产生了变形,砼受到了附加拉应力,产生了一变形,考虑到钢筋砼中含钢量较小时钢筋的压缩变形可近似认为等于砼干缩变形即=Al.即由于砼干缩,使钢筋产生

5、了附加的轴向变形,其值随时间的增长而增长.由于砼浇筑后必然要干缩,所以钢筋砼内由于干缩产生的附加应力是不可避免的.因为这种应力并不是外加荷载所产生的,所以也称作非荷载应力.r图1非荷载因素变形2.2徐变变形的附加应力:砼和钢筋都有徐变特性,在常温一F,钢筋徐变很小,这种差异会由于砼徐变而引起附加应力.如图1所示,如此时某龄期的砼受一恒定荷载作用,此立柱不但会产生弹性变形,还会产生随时间而增大的徐变变形.由于钢筋的存在,砼的徐变变形由原来的,变为,这样钢筋由于的变形而产生了一个附加压应力,而砼由于减少了卜?的变形.而产生了一个附加拉应力.其钢筋增加的轴向压力之和等于砼产生的附加轴向拉力.即产生了

6、应力转移,当钢筋砼的含钢量较小时也认为产生钢筋附加应力的变形近似等于徐变变形,2.3温度附加应力钢材的热膨胀系数大于砼,因此同理随着温度的变化钢筋中也会产生附加应力.这些非荷载因素引起的附加应力,在长期荷载作用下是不可忽视的,据试验证明,在长期荷载作用下,最大徐变变形可以是弹性变形的23倍,而由干缩引起的变形可达2D0500微应变,因此在围护结构的现场应力测试中必须从测到的钢筋应力中考虑非荷载因素的影响,才能得到砼所受到的由荷载引起的轴力.以下以上海中商大厦基坑中围护结构的支撑轴力测试值的计算与分析来介绍考虑非荷载因素的方法.3中商大厦围护结构中支撑轴力计算与分析中商大厦围护结构用中800mm

7、的钻孔灌注桩及双排水泥搅拌桩,并采用钢筋砼支撑两道,基坑的深度为9.5m,支撑间跨度为20m左右,测得的下道支撑XN3断面的轴力最大(断面尺寸为138X80cm),由埋设的钢筋计根据常规的方法(砼的应变乘以面积和弹性模量)计算得到的砼测试轴力见图2中线,从图中可看出,下道支撑砼至1995年11月15日浇筑完毕,19日开挖,到12月21日开挖结束.测试结果(见图2)表明,测试的轴力随时间增大而增大,到1996年3月8日达到32874KN,超过设计荷载的12倍,而支撑体系却安全完好.这显然是不合理的,原因是由非荷载因素而造成钢筋应力过大要得到砼支撑承受的真正轴力必须考虑非荷载因素的影响.?578?

8、工程力学增刊1999年(1)砼弹性模量的影响在工程设计计算中砼弹性模量都是从规范中查表得到的,是一个常量.而实际情况是砼的弹性模量是随着龄期增加而增加的一个变量,尤其是早龄期的砼其值比规范规定值小得多.园此在相同的荷载作用下实际产生的变形比设计值要大.根据中商大厦支撑砼的性质选用的弹性模量曲线见图3.(2)徐变变形的影响砼徐变变形的大小取决于材料本身性质,施加荷载太小.施加荷载时砼的龄期及荷载持续时间,其变化规律一般需通过试验来进行,但由于试验耗时长,条件要求高(恒温,恒湿,恒定荷载),花费大.一般都仅在重大工程中进行.作者总结了大量测试成果,针对中商大厦所使用的砼的特性推算而得到支撑砼的徐变

9、变形特性,其砼在单位应力作用下徐变变形cct.rJ随砼的龄期r和加载持续时间f的变化规律见图4.计算砼应力和应变所必需的弹性模量随龄期的变化规律参见图3.有了徐变及弹模的变化规律.根据实测的钢筋应力推算得到相应的轴力,此轴力是考虑了变化的弹性模量和砼徐变因素后由荷载所引起的轴力,其变化规律见圉2中曲线.(3)砼干缩变形的影响言b圣苜U轱一,一/:/:一一田3砼弹模曲线:T3一/一.|l/一t28/一t=,一日ll趋t婚图砼僚变曲蛙事实上在测到的钢筋总变形中除了徐变变形外还有一部分干缩变形,千缩变形的影响因素也很多,结合有关参考资料,认为其干缩变形的变化规律引起砼见图5.尊鼻再神培5.z:一-I

10、2】I,I4r8246(Z时图t工程力学,增刊1999年?579?(4)如在总变形中同时考虑了椽变和干缩变形影响后得到由荷载引起的轴力,其随时间变化规律为图2中线.由于温度变化引起的非荷载因素的一变形相对来说影响较小,而且是属于短期邑:行为,这里不加以考虑.,日从图2中曲线变化中可看出,在看围护结构的测试中不考虑非荷载因素的影响,而且按由钢筋计测到的钢筋应力推-=算支撑的轴力是随时间始终呈上升趋势,在开挖结束后轴力为25516KN,经过78天后上升到324KH,增加了约,一一一一i/l189ll日时间tc无周5砼千缩变形曲线7000KN,这和实际情况不吻合,而且其数值远远超过设计值,因而失去了

11、实际指导意义.考虑了砼橡变变形后,从图2的线中可看出,支撑轴力在开挖期随开挖的进度增加而增加,当开挖结束后,经过一段时间调整荷载基本上不再增加了,测试到的轴力基本上保持常数,1995年l2月21日的轴力为13065KN,78天(1996年3月8日)后的轴力仅为13645KN,两者几乎不变,此时最大轴力仅为原有的40%左右如考虑了干缩变形后最大轴力为11454KN,仅为原有的35%左右.因此在实测数据中考虑了非荷载因素的影响,特别是徐变变形后,其得到的轴力无论是其变化规律和大小都和实际情况比较吻合.钢筋砼支撑的按常规方法测试得到的轴力虽然远大于砼所能承受的极限应力,而其实际真正轴力仅为原来的1/

12、3,和设计值相接近,远小于砼的极限应力,所以砼支撑能安全无恙也就不足为奇了.4正大广场围护结构砼支撑轴力测试的对比试验在本文中提出了围护结构中钢筋砼支撑的实测应力的测试必须考虑非荷载因素的影响,特别是砼的徐变和收缩的影响,并提出了相应的计算参数和计算方法.此理论和计算方法首先在中商大厦的轴力测试中得到应用.但究竟是否合理,是否符合实际情况必须通过现场的对比试验进行论证和肯定.为了使试验的结果更具权威性,更具说明力,我们选用了浦东正大广场的超大型围护结构的四根主要的支撑作为监测对象,以研究支撑由荷载引起的真正轴力和砼徐变,收缩的影响.4.1概况正大广场位于上海浦东新区陆家嘴1一A地块,基坑长25

13、0m,宽95m,面积达26000m开挖深度为13.518m,围护结构用直径为中1100中1300,长为2835m的钻孔灌注桩,用双排搅拌桩止永.采用三层钢筋砼支撑受力体系,考虑到在常温下钢材的徐变远小于砼的徐变,钢材又不存在收缩变形,所以钢断面支撑测到的轴力基本上应是外荷载产生的内力,不受非荷载因素的影响,因此决定在三层中间(中间二条,上,下各一条)主要支撑上进行全钢断面和钢筋砼断面轴力的对比测试,把按原有方法得到的砼断面上测试值及考580?工程力学增刊1999年虑了砼徐变和干缩影响后的推算轴力和钢断面上测得的支撑实际轴力进行比较.以检验本文提出的理论及计算方法的台理性.4.2支撑轴力测试及测

14、点布置在上,中,下三层支撑体系中间的同一位置各选择一条长为95m的支撑作为测试对象,编号为l一1,2一l,3一1.考虑到第二层支撑受力最大,在邻近的一排支撑中再增加一条支撑的测试-编号为2-2.因此共有四条支撑作为轴力的测试对象.表1正大广场支撑断面尺寸及施工情况表测试支斯面尺寸砼标砼浇筑土层开挖开开挖完棒编号(mm)号日期开挖始日期成日期ll800xl200C3097.14第一层9/.1.209/.2.262-11O00xl600C303.12第二层9/.3.209/.5l22lO00xl600C3097.3.12第二层97.3.209/.5.13一llO00x1300C30974.20第三

15、层97.51297.7.6为了测得支撑承受的实际轴力和非荷载因素的影响,把四根测试撑在中间断开并嵌入一个长为3m的钢测试段.两头各有50cm的砼支撑段伸入,全钢测试段为2m,在钢断面内及邻近相同内力的砼断面内各埋入数量相等的测力钢筋计.测试基坑开挖过程中相应的应变,轴力.各支撑的断面尺寸及施工情况见表l.4.3测试结果图6图9是上,中,下三层四道支撑的测试结果,其中砼测试值是根据常规方法计算得到的轴力,即测试应变乘以面积和C30的弹性模量计算得到.钢箱测试值是由钢箱内测得的应变乘以纯面积及钢材弹性模量求得.砼推算值是根据砼段测试应变考虑了砼徐变和收缩后得到的支撑实际轴力的推算值.影响砼徐变和收

16、缩性质的因素非常复杂,为了今后的推广应用的方便,对于同一标号的砼取用相同的计算参数,即选用和中商大厦相同的砼弹模曲线,徐变曲线和干缩曲线来考虑砼的非荷载因素的影响.从试验结果中可以看出:(1)四个支撑测试值变化规律良好和实际情况一致,特别是第二层两个相邻支撑2一l,22其无论是钢箱测试值还是砼断面测试值的变化规律和变化大小都非常接近,说明测试仪器良好,测试结果可靠.只是3一1支撑在支撑浇筑后第76天砼测试断面因部分仪器损坏而发生数据跳动.在183天后仪器全损坏而使试验中断.(2)钢箱测试值不受砼徐变和收缩的影响,因此其值基本上反映了荷载引起的实际轴力,表2是实测最大轴力和设计轴力及按设计强度计

17、算轴力的比较.从表上看测试的实际轴力为设计轴力的70%75%.为按设计强度计算的轴力的5096左右.设计是基本合理的(3)按常规方法推算得到的各支撑砼测试值见表2,其最大值不但远超过设计值,还超过按设计强度计算的轴力,是实际轴力的23倍.如果把砼测试值看作为支撑的实际承受的轴力,支撑将发生强度破坏,这显然是不合理的,因此在砼测试值中必须考虑非荷载因素的影响(4)比较四根支撑,考虑了非荷载因素影响后的推算值和钢箱测试得到的支撑实际轴工程力学增刊1999年?581?图611支掉轴力图lOO150200250时间T(无)图721支掉轴力图力值的两条曲线,可以发现它们的变化规律完全一致,数值异常接近(

18、数值一般情况下不超过15%).说明根据徐变理论建立起来的一套考虑非荷载因素影响的理论,计算方法和参数的选用是合理的,完全能适用于工程实际.表2支撑轴力比较表(kN)测试支设计设计强度奉文方法钢箱实测砼铡试撑编号轴力计算轴力推算轴力最大轴力最大值l一1726OI166054Sl5432128132116570216OO12432l24383479922l657O216001O796I】5572950O3111920189007795843515320OOOOOOO000OO000000O如们一至zR尊0000O0000一洲一.43322llzz,rII蒋582?工程力学增刊1999年350003

19、000025000主,吧0O0Oz1500o气oooo50000时闻T(天)圈8z一2支撑轴力图5研究与分析图93-1支搏轴力图5.1围护结构受力变形特点从上面的测试和分析的结果可以明显看到围护结构具有下列特点,这些特点也使围护工程领域中一些一直未能得到很好解释的问题有了圆满的解答:.(1)围护结构中挡土结构和支撑的内力,变形都是随时间变化而变化,即所说时空效工程力学增刊1999年.583?应.其决定因素是砼徐变和收缩.(2)围护结构在外力一定后,内力仅由于砼徐变等引起的结构刚度变化使内力重新分配仅作少量调整,总的讲外力一定后内力变化较小.即内力主要决定于外荷载及结构的形式,而受时间的影响较小

20、.(3)在外荷载不变的条件下,总的变形也在不断增加,因此围护结构的变形不但决定于外力还决定于时间,时间越长,变形越大.(4)由于徐变和收缩变形的存在,围护结构的实际变形要比设计变形(根据砼弹性变形计算得到的围护结构的变形)要大得多.以上这些特点在现场澜试中得到完全的证实,同时也完全可以通过徐变理论的分析,计算得到圆满的解释,通过认真研究以后,提供一些看法以供基坑围护结构的设计计算和测试人员参考.5.2一些看法与建议(1)用钢筋计测得的钢筋应力能直接反殃砼支撑的变形大小,龃要求得支撑砼的实际的应力和轴力,必须考虑非荷载因素的影响.(2)影响砼徐变和收缩的因素多而复杂,但最主要的是砼弹性摸量和砼标

21、号.实践证明对同标号的砼选用相同的计算参数来确定砼非荷载因素的影响是可行的.完全能满足工程的需要.(3)支撑变形的大小直接影响到整个基坑的安全,由于砼徐变变形的影响将大大增加整个基坑的变形,因此在结构型式不变的情况下,并在条件许可的情况下,通过施工T=艺的合理安排有效减小支撑的变形变得尤为重要.1)采用早强剂的办法提高支撑砼的早期强度和弹性模量:2)砼的龄期对支撑变形影响最大,因此在砼浇筑后必须保证砼有足够龄期后进行支撑开挖据测算,中商大厦如在28天龄期后再开挖,其支撑变形将不到原有的2/3;3)对基坑采用分步开挖和支撑采用分批浇筑的方法,即对主要的受力支撑的砼采用尽早浇筑的手段,而其周围的土

22、体采用尽量迟的开挖,使砼支撑在承受主要荷载时的龄期越大越好;4)尽量缩短开挖时间.如能在条件许可情况下采用以上措施对施工工艺进行必要的改进,通过理论分析和实践证明是减小匿护结构最终变形的有效方法.(4)围护结构在长期荷载作用下,由于砼受非荷载因素的影响,不但使砼支撑的刚度大大降低(约为设计月度的1/2I/3),也降低了围护桩的抗弯刚度,使整个围护结构的内力发生了重新分配,为了使支护结构的设计计算接近实际情况,必须考虑砼徐变等一些非荷载因素的影响更重要的是在设计中考虑了这些因素影响后能使设计得到的基坑变形和l实际情况一致,从而使过去基坑实际变形远大于基坑设计变形的矛盾得到解决.(5)在长期荷载作

23、用下的砼的力学性能发生了较大的变化,和常规的短期荷载作用下的硷性能相比,其极限强度降低了.而极限应变值却提高了.也孰是说.该支撑在应力还没有达砼材料极限强度时就会发生破坏.对长期荷载作用下的材料力学性能还需作进一584?工程力学增刊1999年步研究.定出一个可靠的标准.作为基坑报警的依据.本文提出的考虑砼非荷载因素影响的计算理论和计算方法,使我们通过监测得到真正的由荷载引起的轴力.纠正了过去在围护结构轴力监测中模糊的,人为的,不正确的判断方法.从而使基坑在开挖过程中完全处于明确而有效的控制之中,保证其真正的安全,可靠.同时可以通过测得的轴力对过去一直存在争论的众多围护结构设计方法中找到一个更为合理的土抗力分布模式及相应的设计计算方法.总之,钢筋砼支撑轴力测试方法的解决,对提高设计和监测的水平,对围护结构受力特性的深入了解和研究就有不可估量的意义.参考文献1叶万灵.围护结构中钢筋砼支撑应力分析与研究,第三航务工程局优秀科技论文集,1997.72刘建航,候学渊,基坑工程手册,中国建筑工业出版社,19973杨林德,岩土工程问题的反演理论与工程实践.科学出版社.19964叶万是,混凝土撩变变形的性能研究及其预报.华东水利学院科技情报室,1979.105唐崇钊,混凝土的镍变力学与试验技术,水剩电力出皈社,1982.126惠荣炎,黄国兴.易冰若,混凝土的棣变,中国铁道出版社.1988