混凝土早期收缩徐变作用下的超长支撑轴力分析.pdf

第 3 3卷第 5期 Vo l I 3 3 No 5 建筑施工 B U I L D I N G C 0 N S T R U C T 1 0 N 混 凝 土 早期 收 缩徐 变作 用 下 的超 长 支撑 轴 力分 析 * Ana l y s i s o f S u pe r Lo ng Su ppo r t Sh a f t Fo r c e u nde r Ef f e c t o f Co nc r e t e I n i t i a l Sh r i n ka g e a nd Cr e e p 口 朱毅敏 姚旭朋 ( 1 、 上海市第一建筑有限公司2 0 0 1 2 0 ； 2 、 同济大学 2 0 0 0 9 2 ) 【 摘 要】 在基坑施工过程中，若钢筋混凝土支撑过长或超长，混凝土材料本身固有的收缩和徐变特性就会充分发挥出来， 影 响其 支撑 的效果 。经过分析与研究 ，提 出了超长 支撑 的受力模 型 ，并在 实际工程 中进 行 了现场监测。工程应 用结果证 明了该 受力模型的理论分析是正确可行的。 【 关键词】超长支撑 轴力 混凝土 早龄期 收缩徐变 【 中图分类号】 T U 7 5 3 文献标识码 B 【 文章编号】1 0 0 4 1 0 0 1 ( 2 0 1 1 J 0 5 0 3 5 9 0 3 随着城市地下空间开发的密度与功能的增长， 传统的分 块开挖方法越来越难以满足人们的要求， 因此“ 超长” 支撑开 始在建筑基坑工程中越来越多的被使用。 根据上海地区的施工经验，通常将长度大于 9 O m的支 撑称为超长支撑。 虽然采用超长支撑作为支护结构可以加快 施工进度， 但当钢筋混凝土支撑长度超过一定限度， 其材料 本身的一些属性 ， 诸如收缩徐变等， 将会充分的表现出来从 而影响支撑的效果。 为了研究超长支撑的实际受力情况 ，我们现就工程实 例 ， 对超长钢筋混凝土支撑的计算模型进行修正， 同时对实 际工程中的超长支撑进行监测。 1 工程背景 本工程位于上海市静安区， 基坑分为南北两个区， 总面 积达 3 2 0 0 0 Ill ， 南区基坑 面积 达 2 4 0 0 0 Ill 。基坑周边有地 铁 2 号线区间隧道、 地铁 7 号线静安寺站和延安路高架等重 要建筑， 以及路面下众多的通信、 电、 气和雨水等重要的管线 设施。在该基坑的支撑中， 南北对撑中有 9根支撑的长度超 过 1 2 0 Ill ， 东西对撑中有 7根支撑的长度超过 1 7 0 IT I 。 针对基 坑面积大、 形状复杂等问题， 我们采用了钢筋混凝土支撑作 为支护结构， 以确保支护体系强度、 刚度及稳定性的要求。 2 支撑轴向的刚度分析 基 金 资 助 ： 上 海 市 优 秀 学 科 带 头 人 计 划f 编 号 ： 0 9 XD1 42 2 50 0 o 【 作者简介】 朱毅敏( 1 9 6 7 一) ， 男， 教授级高级工程师， 联系地 址 ： 上海市浦东新 区福 山路 3 3号( 2 0 0 1 2 0 ) 。 【 收稿日期】 2 0 1 1 - 0 4 2 7 2 1 支撑的服役性态分 析 超长支撑作为深基坑工程中维护结构的重要组成部分， 其刚度的变化对基坑的变形及稳定影响巨大。在实际工程 中， 往往根据工程经验及有限元软件模型的结果， 设计截面 形式及配筋量， 并通过调整安全系数以确保支撑的正常工作 和维护体系的安全稳定。 然而 ， 当支撑超长后， 混凝土材料本身的诸多力学行为 突显出来， 收缩徐变等产生的变形量不可忽视。支撑在荷载 作用下， 除了会发生弹性变形外， 还会产生收缩与徐变， 使支 撑的实际翔 0 度降低 ， 如图 l 所示。 图 1 支撑 混凝 土的变形机理 因此 ， 在计算超长支撑实际的轴向刚度时， 需将支撑混 凝土材料的力学特性考虑在内，并对已有的方法进行修正， 才能准确的估计支撑的变形情况， 以确保基坑维护体系的安 全稳定。 2 2 支撑轴向刚度的折减计算模型 超长支撑虽然在长度上远远大于传统的短支撑 ， 但在设 固回 第 5期 朱毅敏、 姚旭朋： 混凝土早期收缩徐变作用下的超长支撑轴力分析 5 2 0 1 1 计中， 仍然被视为轴向受力构件。 对于轴向受力构件， 由材料 力学可知线性变形材料的轴向变形 1 为： ) = 上式 中， E为材 料的弹性模量 ， A为构件 的横截面积 ， 即为横截面的轴向刚度， L 为构件轴向方向的长度。以应变 形式可表示为 ： 7 丁 对于超长支撑混凝土， 轴向的应变不仅仅来源于外荷载 所产生的弹性应变， 还包括收缩应变、 承载之前约束状态下 的受拉徐变应变以及承载后的压缩徐变应变； 而支撑轴向的 刚度则因为随时问变化的函数而变化， 所以可采用折减系数 的方法对构件的原始刚度进行修正。 由于支撑承受设计荷载前后的力学状态不同， 所以这里 将其分开讨论。 ( 1 )承载前的刚度折减分析 支撑在承载前的力学模型可以简化为约束状态下的收 缩徐变过程。随着混凝土龄期的发展， 构件的实际长度在减 小， 只是在约束的作用下， 产生了弹性变形， 宏观上弥补了长 度上的损失。 构件实际的轴向刚度由于长度的减小而产生了 损失， 因此， 正确计算该长度损失是进行承载前刚度折减分 析的基础。 替 二 二 l I - I I I 二二二二二二 自由收缩 约束收缩 图 2施工期支撑受力状 态 与自由收缩不同 ， 由于构件 受至 约束的作用 ， 其产 生的 约束应 力除 了使构件发生弹性 变形外 ， 也令其在该应力下产 生徐变变形， 如图 2 所示。因此， 承载前构件实际的长度为： L ( t ) = L 一 s +c r , 亡 (t ) 式中， L 为龄期为时构件的实际长度 ， L为构件的原长 ， 为构件自由收缩的变形， c 亡 (t 为约束条件下的受拉 徐变变形。 由此可知， 当 t 时刻支撑承受压力 F作用时 ， 支撑实际 的变形为： f J 7= 广s h t ) +c D L( t y f A 由此可见， 支撑的设计刚度 ( = 竿 已不足以反映实际的 变形情况。 由于支撑的变形不仅仅来源于支撑受力的弹性变 形， 还来源于收缩徐变等产生的变形， 所以需对原有的支撑 刚度计算模型进行修正， 方能较为准确的把握支撑实际的变 形状态 。 ( 2 )承载后的刚度折减分析 支撑在承载后的力学模型可以简化为时变荷载下的收 缩徐变过程，外荷载不仅使构件产生了轴向的压缩变形， 也 使得构件在该荷载作用下发生徐变变形( 图 3 ) 。 替 期 二二二二二二二 二二 工 一 f一 +d f 阳 膳 糟 期 古 撞 串 力艘 杰 与承载前的受力情况不同， 由于构件在压力作用下产生 的徐变 ， 与收缩的方向相同， 因此 ， 承载后构件实际的长度 为 ： f f L m = L A s h t)+ c t c锄 一 一 c r ,Q t t ； 0( t l Y 式中， c r t 为支撑承载前的约束受拉徐变总和 ， t O为 支撑承受荷载的时刻， t l 为压力 F 作用时刻， c 忆 L D 为累 积的压缩徐变大小。 由此可知， 当 t 时刻支撑承受压力 作用时， 支撑实际 的变形为： f ， 7= s h 廿 + c 亡 【切 )+ 一 c r q tL ” ( tl y、 类似于承载前的变形情况同样可以看出， 支撑实际的变 形不仅仅包含受力之后产生的弹性变形 ， 还包含复杂的收缩 徐变影响。如何根据支撑实际的变形受力情况， 来对现有的 支撑刚度计算模型进行修正，这对于设计和施工安全来讲， 具有十分现实的意义。 3现场监测 3 1 测点布置 选取我们基坑支撑中东西对撑之一作为监测对象， 并在 支撑上监测断面的布置考虑到对称性原则和基坑支撑受力 的特点。测点位置及监测断面的布置如图 4 N图6所示。 图 4 支撑监测断面布置 3 2监测结果及分析 我们选取了第四道支撑作为研究对象， 其监测结果如图 7 图 9所示。