陳 科, 向貴府, 郝 超, 李虎杰

(西南科技大學環(huán)境與資源學院, 四川綿陽 621010)

淺談鋼筋混凝土支撐軸力監(jiān)測對比試驗

陳 科, 向貴府, 郝 超, 李虎杰

(西南科技大學環(huán)境與資源學院, 四川綿陽 621010)

文章介紹了與實際工程相同的鋼筋混凝土構(gòu)件為試驗對象，制作時在構(gòu)件中安裝振弦式鋼筋計和混凝土應(yīng)變計。通過在大型MTS試驗機上進行加載試驗，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)換公式進行軸力計算。基于試驗數(shù)據(jù)，對比兩種混凝土軸力監(jiān)測手段的準確性以及驗證傳統(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； 混凝土應(yīng)變計； 加載試驗； 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，更多的是采用基坑支護，而鋼筋混凝土支撐是基坑支護系統(tǒng)中重要的組成部分，支撐軸力的監(jiān)測又是支護結(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，但鋼筋計的安裝需要剪斷相應(yīng)鋼筋然后通過焊接方式使鋼筋計和鋼筋連接起來，這會改變相應(yīng)的鋼筋強度，從而影響整個鋼筋混凝土構(gòu)件的強度；在監(jiān)測數(shù)據(jù)時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)備以達到監(jiān)測目的是現(xiàn)在研究的熱點。這是因為在不改變鋼筋混凝土的強度的前提下，能有效地達到監(jiān)測目的。

本文通過室內(nèi)實驗制作特定目標的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，并在試驗構(gòu)件中同時安裝振弦式鋼筋計和混凝土應(yīng)變計，通過加載實驗所獲得大量監(jiān)測數(shù)據(jù)進行收集整理與分析，基于監(jiān)測數(shù)據(jù)對比兩種方法的準確性，同時驗證傳統(tǒng)鋼筋計監(jiān)測方法的可靠性。

1 試驗方法

1.1 模型制作

本次試驗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型號鋼筋，直徑25 cm，長4 000 mm，共12根，箍筋和加強筋直徑為16 cm，混凝土按C35強度要求進行配制。所獲得的混凝土梁極限軸力可由軸心受壓構(gòu)件的承載力計算獲得，計算得到極限軸力為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角點的主筋上通過焊接4個鋼筋計進行截面受力測量。圖1為4個鋼筋計在梁的位置，圖2為鋼筋計位置的截面圖。

圖1 構(gòu)件模型

圖2 鋼筋計位置的截面

在混凝土支撐梁中心位置處等間距的安裝5個混凝土應(yīng)變計對其內(nèi)部應(yīng)力情況進行測量(圖3)。

圖3 應(yīng)變計平面位置

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

1.3 加載試驗

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

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

圖4 現(xiàn)場試驗

2 軸力監(jiān)測與分析

2.1 振弦式鋼筋計在荷載下頻率的變化

由于加載試驗在養(yǎng)護56 d后進行，所以取加載試驗前測得的鋼筋計頻率值為初始頻率，記錄加載試驗中鋼筋計的讀數(shù)如表1所示。

表1 相應(yīng)荷載下鋼筋計頻率

埋入混凝土中的4個鋼筋計中的3個在加載中頻率的都隨著荷載的增大而減小，這說明鋼筋計處于受壓狀態(tài)。雖然編號為409205的鋼筋計頻率在加載到100 kN時有過短暫的增大，這并不影響在整個加載試驗中編號為409205的鋼筋計是處于受壓狀態(tài)。

編號為408996的鋼筋計在加載試驗進行到0～200 kN時所檢測到的頻率依然是隨著荷載的增大而減小，說明在這個階段中編號為408996的鋼筋計還是處于受壓狀態(tài)。但在隨后200～800 kN加載試驗中該鋼筋計所監(jiān)測到的頻率卻在逐漸的增大，這與其他3個鋼筋計的變化規(guī)律明顯不同。這其中的原因可能是在澆筑混凝土的時候沒有攪拌均勻，使力的傳遞較集中；也可能是在加載試驗當中，整個構(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)變計在荷載下頻率的變化

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

表2 相應(yīng)荷載下應(yīng)變計的頻率

通過加逐級加載試驗發(fā)現(xiàn)，傳感器也是隨著荷載的加大而頻率逐漸的減小，這說明和鋼筋計一樣，應(yīng)變計的頻率是因為受到了壓力而減小。但是4號應(yīng)變計卻一直處于初始值沒有改變，故認為4號應(yīng)變計已產(chǎn)生故障，在后面軸力的轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)該舍去4號應(yīng)變計的值而使用剩余的4個應(yīng)變計的值加以計算。

3 試驗結(jié)果分析

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

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

Ni=εEcAc

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

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)力計的靈敏度系數(shù)(K=K0×K1)；K0為0.000 711 86；K1為出廠標定系數(shù)；F1為鋼筋應(yīng)力計的實時測量頻率(Hz)；F0為鋼筋應(yīng)力計的初始頻率(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，鋼筋計和應(yīng)變計所測得的軸力大小以及相對誤差見表3，理論應(yīng)力與實際轉(zhuǎn)換軸力對比見圖5。

圖5 實際應(yīng)力與計算軸力對比

通過表3，得出隨著荷載的加大，鋼筋計和應(yīng)變計都隨著加大，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，其中鋼筋計的平均軸力百分誤差是6.07 %，應(yīng)變計的平均軸力百分誤差為4.10 %。但應(yīng)變計隨著荷載的逐漸加大，百分誤差卻越來越小，這說明應(yīng)變計相對于鋼筋計來說精度更高。通過圖5對比可知混凝土應(yīng)變計的轉(zhuǎn)換軸力更接近實際荷載。

表3 對應(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)試驗的研究可以得出如下結(jié)論：

(1)鋼筋計和應(yīng)變計的初始頻率取值為加載試驗前的數(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 %，這說明試驗的有效性。

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

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[定稿日期]2017-07-12

西南科技大學橫向委托項目(編號:16ZH0231)

陳科(1992～)，男，碩士研究生, 研究方向為工程地質(zhì)。

向貴府，男， 在讀博士, 講師, 研究方向為工程地質(zhì)。

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