轴力计与表面应变计应用分析

轴力计与表面应变计应用分析

刘姣1

中铁西南科学研究院有限公司 成都611730

摘要：支撑轴力监测作为地铁监测的一项重要内容，能够及时了解钢支撑轴力的变化，分析支撑体系的受力特点，为土方开挖施工方案提出建议，对施工过程中出现的险情进行及时预报，以保障工程安全。

关键词：轴力计；表面应变计。

引言

目前常规钢支撑轴力的监测装置主要有轴力计和振弦式表面应变计两种。两种装置的安装方式不同，作用机理不同，监测效果也不尽相同。本文探讨两种监测方式的优缺点和适用性高的钢支撑轴力监测方式。

一、受力形式以及安装特点

1）轴力计

图1.1轴力计图

轴力计安装时，在钢支撑拼装完毕之后，通过焊接轴力计支架，将轴力计固定在钢支撑的一端，将轴力计与钢支撑连为一体。

2）振弦式表面应变计

图1.2表面应变计

振弦式表面应变计如上图所示，其安装方法为将表面应变计两端的方形钢砌块焊接在钢支撑管壁上，安装的位置为钢支撑管壁同一截面的上下左右四处，沿支撑轴向布置，通过频率读数仪读数计算所得为支撑管壁的应变值，再通过相关公式计算支撑受力。

两种监测原件在受力形式上不尽相同，轴力计安装于支撑轴线位置，其本身可以看作钢支撑轴力受力的一部分，表面应变计安装于钢支撑管壁表面，通过支撑形变来进行力的计算。相比较而言，轴力计监测更加直接。

分析监测原件安装特点可知，正常情况下两种原件均需在钢支撑受力之前进行安装。而不同点在于，轴力计测点无法更换，如若发生损坏，只能通过钢支撑卸力重新安装，有一定的安全风险。表面应变计在原件损坏之后，可以通过在钢支撑管壁重新焊接原件，通过计算，实现对原支撑的连续轴力监测。在基坑施工过程中，由于现场条件复杂多变，测点发生损坏的情况较普遍。因此，表面应变计在测点修复方面有其优越性。

二、测试准确性

两种监测方式的作用原理不同，其轴力计算公式也不尽相同。

轴力计计算公式如下所示：

— 轴力计的率定系数；  

— 轴力计任一时刻观测值；  

— 轴力计的初始观测值（零值）；

由计算公式可以看出，轴力计的计算公式由率定系数值与原件的读数值组成，涉及的参数较少，受外界干扰较小。

振弦式表面应变计轴力计算公式如下所示：

—应变计的率定系数；  

—应变计任一时刻观测值；

—应变计的初始观测值（零值）；

— 钢支撑管壁截面积；

— 钢弹性模量；

由于原件直接测量计算所得到的值为应变值，而应变与应力值之间需要进行数学计算，因此表面应变计量测支撑轴力的计算参数包括原件率定系数、测量读数、弹性模量、钢支撑构件截面尺寸、元件的个数等，公式中包含的参数越多，受干扰性越大。

为比较轴力计与振弦式表面应变计在轴力监测上的准确性，现通过实例将预加应力与各自的计算结果进行比较。本文列举了某基坑在施加预应力过程中钢支撑轴力的实际监测值进行试验，主要探讨两种监测原件在轴力监测应用上的准确性和适用性，选取钢支撑施加预加轴力的数据资料进行分析，根据千斤顶和原件读数进行计算，可得钢支撑受力值及监测测试值。为保证试验准确，尽量排除干扰因素，试验全部采用基坑未开挖状态下的第一道支撑轴力情况进行分析。

现将数据计算结果进行比较列举如下：

表1 振弦式表面应变计监测结果与预加值的比对（单位：kN）

图2.1表面应变计轴力对比图

表2.2 轴力计监测结果与预加值的比对（单位：kN）

图2.2轴力计对比图

将轴力计与振弦式表面应变计的监测结果与预加轴力值进行比较，可看出：

1）两者结果均不能与预加值的完全吻合，一是因为钢支撑在受到预加应力之后发生弹塑性变形；二是由于钢支撑拼装件之间存在空隙，钢围檩与围护结构之间不密贴等原因，也会造成预应力的损失。因此轴力发生了不可避免的应力损失。

2）两者监测数值在预加轴力值上下波动，均可反应支撑轴力值的大小情况。理论上来讲，实测得到的应力值应小于预加应力值，预加应力施工质量、钢支撑拼装质量、围檩与围护结构的施工质量越好，应力值损失的越少。

3）通过对比可见，轴力计的监测数值更接近预加应力值，可见轴力计监测结果更加准确。

三、结论与建议

通过将两种监测方式在安装、受力形式以及监测准确性上对比分析，可以得到以下结论。

1）受益于振弦式表面应变计的安装方式，在原件遭到破坏之后，表面应变计更易于修复，并且可以保证监测数据的连续性；

2）两者在监测准确性上均可满足施工现场的要求；轴力计的准确性更高。

在钢支撑轴力监测时，可结合两者优势，以轴力计为主、振弦式表面应变计为应急处置措施，来确保取得准确、有效、连续的钢支撑轴力数据，在施工过程中对钢支撑轴力状况进行正确评价，为工程安全施工提供决策依据。