桁架式型钢组合支撑作为近年来一种新型的基坑支护形式,具有标准化程度高、施工周期短、绿色环保、变形可控等技术优势。但作为一种钢质结构,其构件易受大气温度波动、太阳辐射等环境因素的影响产生温度应力,《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120—2012)中指出,当温度改变引起的支撑结构应力不可忽略不计时,应考虑温度应力
[1]。同时作为装配而成的桁架式结构,支撑结构内力不仅受到温度变化引起的材料膨胀、收缩的影响,还受到温度差异引起的变形、支座和连接的约束以及可能存在的间接交互影响等,进而使整个结构的内力分布更为复杂,其设计温度荷载的合理性将直接影响到基坑的安全性与稳定性。
目前对于日照条件下钢结构的温度效应研究较为广泛,吴小蕙等
[2]考虑了太阳辐射因素影响,对金属屋面开展了温度效应研究,得出了温度作用会导致金属屋面产生应力集中现象的结论;聂立功等
[3]通过模型试验,分析了金属屋面在太阳照射条件下的温度分布规律,发现太阳辐射强度越大,结构温度越高;李志鹏等
[4]以某项目中的钢结构预埋件为研究对象,得出在不同天气条件下结构温度效应响应特征存在差异的结论;陈德珅
[5]对钢质杆件日照温度效应及影响因素进行了研究,分析了构件温度变化与应力变化间的关系;李景芳等
[6]分析了网架结构模型中温度与轴力变化规律间的关系,发现不同位置处杆件温度及轴力差异明显;吕勇康
[7]以大跨度网架式钢结构为研究对象,分析了主要杆件的温度及内力分布特征,提出一种计算结构合拢温度并且提高结构安全性的方法;王秀丽等
[8]分析了太阳辐射引起的非均匀温度作用对屋盖结构的影响,得出非均匀温度作用较均匀温度对结构内力影响更显著的结论。Alinia等
[9]对双层网壳结构在温度荷载作用下的性能进行了分析,结果表明温度作用是影响结构支撑性能的重要因素;麦尔旦·开萨尔等
[10]以钢箱梁结构为研究对象,发现在显著温度梯度条件下,结构产生的应力增幅超越常规工程经验中钢结构温度响应的预期范畴。陈建稳等
[11]对矩形钢构件的日照温度场分布规律进行分析,给出了不同空间方位构件温度场的变化规律。同时也有学者对于基坑支撑的温度效应及变形特征进行了研究,金亚兵
[12]提出温度变化对深基坑内支撑轴力和变形的影响巨大,通过推导支撑温度应力简化计算方法,以此优化内支撑结构;张宏
[13]等在考虑土层水平抗力系数变化影响后,分析了温度对基坑钢管内支撑结构的影响;吴明
[14]等在考虑内支撑-支护桩-土相互作用且变形协调的影响下,提出了多道水平支撑的温度应力计算方法;王梦洁等
[15]从土体冻胀的角度出发,研究了温度变化对基坑支护体系受力状态与变形的影响;刘畅等
[16]通过对某停滞基坑进行监测,研究了季节性温度变化对混凝土支撑内力及围护结构位移的影响;向艳
[17]指出基坑设计中对温度应力考虑不足是事故发生的主要原因之一,温度效应对基坑支护结构会造成明显的影响;韩磊等
[18]通过对型钢支撑进行监测分析,得出气温越高,单位温度变化对杆件轴力的影响越显著的结论。然而现有基坑温度效应研究主要集中于传统支撑形式,且研究方法多以模型实验和理论推演为主,当前桁架式型钢组合支撑已在基坑工程中得到推广应用,但对其支撑结构的温度效应尚缺少与实际工程相结合的实践研究分析。
随着城市建筑环境日益复杂,基坑工程施工周期显著延长,支撑结构在周边环境变化及温度时效性影响作用下,其力学行为易产生显著变化,温度循环荷载作用也易对杆件间的链接产生影响,对基坑安全构成潜在威胁。因此,开展桁架式型钢组合支撑温度效应研究具有重要的工程实践意义。现依托济南市天桥区某深基坑工程,针对桁架式型钢组合支撑结构开展基于实际工况的温度效应研究,深入探讨温度效应影响下组合支撑结构的力学行为变化规律,同时提出相应的处置方案。
1 项目概况
研究项目地处济南市城区中心位置,如
图1所示,四周建筑物与管线密集,距基坑支护结构最近处仅4.65 m。项目基坑呈近似矩形,东西长约78.35 m、南北宽约38.65 m,开挖深度9.40 m,采用地下连续墙+桁架式型钢组合支撑的支护形式。工程自2023年12月进行土方开挖,至2024年2月开挖至坑底,此后工程处于长期停滞状态。
项目基坑挡土结构为地下连续墙,基坑内设置两道单层桁架式型钢组合支撑,材料为Q355B,型号为H400×400×13×21,采用四周角撑结合中部对撑的布置方式,支护剖面及地层分布如
图2所示。
2 试验设计
由于桁架式型钢组合支撑杆件较多,其中对撑为承担荷载的主要结构,试验围绕对撑及东北侧角撑结构开展温度效应试验,同步采集支撑杆件轴力与温度场参数。
试验通过JTM-V100DA型振弦式表面应力传感器采集杆件轴力,该型号传感器可同时捕捉安装位置杆件轴力及温度修正参数。监测方案以对撑结构为主要监测对象,分别在对撑端部斜杆、端部直杆及中部直杆中选取典型杆件布置测点,同时在东北侧角撑中选取典型杆件设置辅助测点,每道支撑传感器布置在相同位置处,传感器均安装在杆件腹板中心位置,布置及安装位置如
图3所示,其中ZL1-1~ZL1-4为第一道支撑内力监测点,ZL2-1~ZL2-4为第二道支撑内力监测点。
对于工程中的钢质结构,现有研究认为大气温度与结构的热量交换、太阳辐射在结构中产生的热量累积及受风速影响的热对流效应是使结构产生温度效应的主要因素
[19]。因研究对象位于基坑内部,试验现场长期保持无风或低风速状态,故试验将温度场参数简化为大气温度与太阳辐射强度的双重参量,与支撑杆件轴力同步采集。试验通过热电偶测温仪的气体温度感知功能,在采集杆件轴力的同时获取现场空气温度作为此刻的大气温度参量,采用太阳能功率计的辐射感知功能采集太阳辐射参量,将仪器接收端对准太阳方位,取现场太阳辐射强度最大值作为支撑杆件所接收到的太阳辐射强度。
试验为反映温度效应对桁架式型钢组合支撑结构的影响机制,对温度场及支撑杆件轴力进行长期监测,为研究桁架式型钢组合支撑在温度荷载下的系统性演化规律提供充足的试验数据。
3 试验结果及分析
3.1 温度场及支撑结构轴力变化长期监测
基坑开挖及架设支撑的主要施工阶段为2023年12月23日—2024年2月1日,在施工过程中,使用红外线热成像仪采集对撑结构及周边环境温度分布情况,生成温度分布图如
图4所示,并选取对撑结构一侧不同点位提取温度值。同时对现场大气温度及支撑杆件轴力进行数据采集,测得长期变化曲线如
图5所示,采集频率为2次/d,采集时间为每日早晨06:00和中午14:00。
根据
图4可以发现,在早晨06:00,第一道对撑结构各标注点位中温度最小值为16.5 ℃,温度最大值为20.2 ℃,结构内部温度分布存在一定非均匀性,至中午14:00,各标注点位中温度最小值为37.3 ℃,而温度最大值达到49.5 ℃,各构件温度均明显提高,结构内部温度差异进一步扩大,可见昼夜交替对支撑结构温度产生了较大影响,在温度剧烈变化与非均匀分布的耦合作用下,可能导致支撑结构产生较强的温度效应,进而影响基坑支护体系的整体稳定性。
根据
图5曲线可以发现,测试期间各杆件轴力随昼夜间大气温度的变化产生周期性波动,对撑结构各杆件轴力与大气温度均呈现先增后降趋势,ZL1-1~ZL1-3支撑轴力值单日最大变化量分别出现于1月27日、1月6日、1月10日,在大气温度谷值时段采集值分别为471.9、445.7、264.0 kN,在大气温度峰值时段采集值分别为935.6、734.3、423.1 kN,单日变化幅度分别达到98.3%、64.8%、60.3%,可见桁架式型钢组合支撑各杆件温度效应响应特征较为剧烈,同时呈现显著的非均匀特征,对结构的安全性和稳定性产生较大影响。
同时角撑测点ZL1-4所测轴力值在大气温度峰值时段降低,在谷值时段上升,轴力波动规律与对撑杆件的力学响应呈现显著的反向特征,其中1月24日轴力值变化量最大,大气温度峰值时段轴力值为454.1 kN,较大气温度谷值时段轴力值531.7 kN衰减14.6%,进一步反映了桁架式支撑系统因结构的复杂性,在温度场作用下会引发非均匀轴力重分布。
冬季长期监测期间发现,不同天气条件下支撑杆件轴力波动幅度存在明显差异,以1月10日晴朗天气工况、11日阴天天气工况为例,晴朗天气工况下ZL1-1~ZL1-4杆件轴力波动幅度分别为82.7%、52.5%、19.4%、5.3%,平均波动幅度为40.0%。阴天天气工况下ZL1-1~ZL1-4杆件轴力波动幅度分别为11.3%、5.9%、8.6%、4.4%,平均波动幅度仅为7.6%,相对晴朗天气工况明显减小。可见桁架式型钢组合支撑各杆件温度效应响应特征与天气状况存在明显关联,冬季阴天天气工况下支撑结构温度效应明显减弱。
3.2 不同季节条件对支撑结构轴力影响
工程项目自2月1日后因外部不可控因素进入停工状态,选取夏季晴朗时段进行高频连续测试,与冬季数据进行对比,其中冬季监测曲线如
图6所示,夏季监测曲线如
图7所示。
根据
图6(a)、
图7(a)曲线可知,冬季监测期间,太阳辐射强度最大值达到409 W/m
2,大气温度变化区间为-5.8~17.1 ℃,其中第二日监测期间温变化量最大,达到13.7 ℃。夏季监测期间,太阳辐射强度最大值达到969 W/m
2,大气温度变化区间为20.9~36.1 ℃,单日内温度变化量达到15.2 ℃。冬夏两季温度场参数均于06:00左右开始上升,于14:00左右达到峰值,随后缓慢下降,于次日06:00左右再次到达谷值。
根据
图6(b)、
图7(b)曲线可以发现,冬季支撑杆件轴力显著波动时段在12:00—16:00,夏季支撑杆件轴力显著波动时段在04:00—18:00,均与温度场参数波动时段重合,可见冬夏两季支撑杆件轴力波动均受温度场变化的影响,同时夏季支撑杆件轴力显著波动时段晚于冬季。冬季监测以第二日为例,ZL1-1~ZL1-3轴力日间增幅分别达到94.7%、33.3%、27.2%,而ZL1-4轴力日间衰减30.7%,杆件平均波动幅度为46.5%。夏季监测期间,ZL1-1、ZL1-3轴力增幅分别达到77.7%、41.8%,ZL1-4轴力衰减17.2%,而ZL1-2轴力出现较大衰减,衰减幅度达到96.4%,杆件平均波动幅度为58.3%。可以看出在夏季较大的温度变化与较强的太阳辐射影响下,杆件的平均波动幅度明显高于冬季,且不同支撑杆件的轴力变化规律也存在明显差异,在结构设计时应考虑温度效应的季节性差异。
根据
图6(b)曲线可知,对撑测点ZL1-1~ZL1-3所测轴力在日间均呈现轴力剧增现象,角撑测点ZL1-4则呈现轴力损失现象,两种现象具有显著的时间关联性与反向变化特征。根据结构特征分析,对撑杆件相较于角撑杆件长度更长,更易受温度场影响产生温度效应,同时刚性地下连续墙与支撑结构的协同承载机制,导致基坑外荷载总量恒定时,因对撑杆件相对更大的热膨胀变形,使部分角撑所承担荷载向对撑转移,从而形成对撑轴力剧增与角撑轴力损失间的动态平衡,可见高整体性基坑支护体系中各构件间存在显著的轴力协同响应机制。
根据
图7(b)曲线可知,夏季监测期间,对撑测点ZL1-1、ZL1-3出现轴力剧增现象,角撑测点ZL1-4出现轴力损失现象,变化规律与冬季监测曲线相近,而对撑测点ZL1-2出现明显的轴力损失现象,与冬季监测曲线相反,可以推测,对撑作为更复杂的桁架式组合结构,在温度荷载长期循环作用下,各杆件间的约束作用明显减弱,导致结构协同变形能力衰退,同时因温度差异引起各杆件间的非均匀热膨胀,致使低膨胀杆件逐步退出荷载分配体系,最终形成对撑结构内部的轴力重分布现象。
3.3 不同天气条件对支撑结构轴力影响研究
选取夏季不同天气条件,进行温度场及支撑杆件轴力连续监测试验,监测曲线如
图8所示。其中工况1大气温度变化区间为30.5~43.3 ℃、工况2大气温度变化区间为20.4~38.2 ℃,监测期间均为晴朗天气;工况3大气温度变化区间为27.2~33.9 ℃,监测期间为阴云天气。
根据
图8(a)曲线可以看出,在工况1、工况2中,太阳辐射强度呈先增后降的规律,在08:00—16:00辐射强度接近峰值,在工况3中,辐射强度在08:00—10:00接近峰值,此后因云层干扰辐射强度显著下降。
根据
图8(b)曲线可以看出,工况1中ZL1-1~ZL1-4轴力波动幅度分别达到37.4%、56.1%、33.0%、9.9%,平均波动幅度为34.1%,工况2中,ZL1-1~ZL1-4轴力波动幅度分别达到30.6%、55.7%、20.6%、24.4%,平均波动幅度为32.8%,较工况1轴力平均波动幅度略小,各杆件轴力变化规律无明显差异。工况3中,ZL1-1~ZL1-4轴力波动幅度分别达到30.6%、50.2%、19.6%、21.7%,平均波动幅度为30.5%,较工况1、工况2进一步减小,同时ZL1-2杆件轴力损失现象持续时间明显缩短,且持续区间与太阳辐射强度高值区间一致。由此可以推断当太阳辐射强度达到一定水平后,各杆件间因受太阳照射面积不同,出现差异性热膨胀,是造成部分杆件出现轴力损失现象的主要因素。
第二道支撑位于地面下一定深度,受上部结构一定程度的遮挡,根据
图8(c)曲线可以看出,各工况测点ZL2-2、ZL2-3日间出现轴力增幅,于16:00左右达到峰值,此后缓慢下降,与大气温度变化规律一致,测点ZL2-1、ZL2-4日间轴力波动较为平稳,可以看出,由于上部结构的遮挡作用,其受太阳辐射的影响明显小于第一道支撑,不同天气工况下各杆件轴力波动规律无明显差异,由此可以推断,当结构受到的太阳辐射较小时,大气温度与支撑杆件间的热量交换是影响杆件轴力变化的主要因素,轴力变化规律与大气温度变化规律相近。
从分析中可以得出,大气温度与支撑结构间的热量交换会导致支撑体系轴力的整体均匀性增加,而太阳辐射引起的杆件差异性热膨胀,是导致支撑结构出现轴力损失的主要因素。现有内支撑设计中多将温度场的影响考虑为轴力的均匀增幅,而对于桁架式型钢组合支撑结构,在设计中应考虑不同杆件间温度效应响应规律的差异性,或通过采取一定措施控制支撑所受的太阳辐射强度,减小各杆件温度效应的差异性。
3.4 太阳辐射对支撑结构轴力影响研究
通过在第一道对撑结构顶部布设遮挡材料,形成近似无辐射的状况,材料布设后如
图9所示,以此研究太阳辐射对结构性能的影响,测得温度场及支撑轴力变化曲线如
图10所示,其中工况4、工况5无遮挡覆盖,监测期间分别为全阴天气和晴朗天气;工况6为覆盖遮挡材料,监测期间为晴朗天气。结构温度取支撑结构平均温度。
根据
图10(a)曲线可知,工况4中,太阳辐射强度峰值为347 W/m
2,大气温度峰值为34.8 ℃,结构温度峰值为37.1 ℃,高于大气温度峰值6.6%;工况5中,辐射强度最大值为881 W/m
2,大气温度峰值为39.5 ℃,结构温度峰值为45.1 ℃,高于大气温度峰值14.2%;工况6中,辐射强度峰值为1 002 W/m
2,大气温度峰值为41.2 ℃,结构温度峰值为40.6 ℃,低于大气温度峰值1.5%。由此可见,太阳辐射导致结构温度相较于大气温度进一步升高,且太阳辐射强度越大,增幅越显著,而通过布设遮挡材料,能够有效控制结构温度的升高幅度。
根据
图10(b)曲线可知,工况4中,ZL1-1~ZL1-4日间最大波动幅度分别为23.1%、23.9%、11.0%、6.4%,平均波动幅度为16.1%。工况5为基准状态,ZL1-1~ZL1-4日间最大波动幅度分别为21.5%、66.5%、26.4%、24.4%,平均波动幅度为34.7%,同时出现轴力损失现象。工况6中,ZL1-1~ZL1-4最大波动幅度分别为23.9%、9.2%、13.0%、14.8%,平均波动幅度为15.2%与工况4相近,较工况5大幅降低。
由此可见,支撑在布设遮挡材料后,晴朗天气下杆件轴力波动规律接近全阴天气条件下的规律,轴力剧增及损失现象明显减弱,表明桁架式型钢组合支撑结构轴力与太阳辐射存在直接联系,太阳辐射强度越大,轴力波动越明显,而布设遮挡材料能够有效减少支撑结构所接收到的太阳辐射,减小桁架式支撑各杆件的轴力变化,增强结构的稳定性与基坑的安全性。
4 结论
结合实际工程,开展了深基坑桁架式型钢组合支撑结构温度场与轴力时效性监测试验,通过分析不同温度工况下支撑结构的力学行为特性,探讨了组合支撑温度效应的影响因素并提出解决措施,得出如下主要结论。
(1)桁架式型钢组合支撑结构轴力随每日温度场变化而呈现较为强烈的波峰波谷周期性变化,即自然温度场下温度效应显著,特别在冬季和夏季以及不同天气状况下同一杆件受力表现均存在较大差异,因此支撑结构设计时对受力较大杆件应考虑温度效应冗余,降低基坑潜在的失稳破坏风险。
(2)桁架式型钢组合支撑部分杆件轴力增加会导致另一部分杆件轴力减小,造成支撑体系不同部位出现轴力剧增和损失现象,温度效应导致支撑体系整体轴力重分布现象,易导致支撑结构螺栓连接松动,进而引发支撑体系整体性下降和基坑变形加大。
(3)大气温度会导致支撑体系轴力变化相对均匀,而太阳辐射热量引起杆件差异性膨胀,是导致支撑结构出现轴力剧增和损失的主要因素。试验表明,通过采取降低辐射措施可有效减小各杆件间温度效应的差异性,提高支撑结构及基坑整体的稳定性。
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