CN206618405U - 大型基坑支撑体变形自动分析系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种大型基坑支撑体变形自动分析系统，属于基坑工程领域。该基坑支撑体为钢筋混凝土梁，并在施工现场设置与基坑支撑体具有相同的截面、相同配筋、相同混凝土配比并同时浇筑的支撑体模型。所述变形自动分析系统，包括第一钢筋计、第一混凝土应变计、第二钢筋计、第二混凝土应变计和智能监测平台。其中，智能监测平台，能够利用监测到的各数据，将监测的基坑支撑体的应力、应变对应分解为荷载应力、温度应力、收缩应力，以及荷载应变、温度应变、收缩应变、徐变应变等数据。因此，本实用新型公开的技术方案能够准确掌握基坑支撑体的应力情况，从而为基坑施工提供安全保障。

Description

大型基坑支撑体变形自动分析系统

技术领域

本实用新型涉及一种大型基坑支撑体变形自动分析系统，属于基坑工程领域。

背景技术

在大型基坑工程中，基坑支护结构至关重要。钢筋混凝土支撑结构是较常见的基坑支护结构。支撑变形和支撑轴力是评价支护结构以及整个基坑工程是否安全的重要依据。

目前钢筋混凝土支撑结构的变形，主要通过在支撑结构内设置混凝土应变计进行测量。然而，钢筋混凝土的变形受到荷载因素以及温度变化、混凝土收缩和混凝土徐变等非荷载因数的综合影响。例如，大型或者超大型深基坑工程的工期可能达到6个月甚至更长，支撑体结构受到的最高温差可能达到30度甚至更多，温度变形是我们要考虑的重要因素。另外，大型、超大型基坑的支撑体结构通常比较长，混凝土收缩产生的收缩变形也不可忽视。再者，在受到较大轴压力的作用下，支撑体构件的徐变变形也需要考虑。

然而，目前对变形的测量，仅能得出综合变形的数值，无法具体得知其中的荷载变形、温度变形、收缩变形、徐变变形等具体数值及所占比例，因此在出现变形较大时，无法得知各因素的影响程度，无法采取有效的应对措施。因此，对于大型基坑施工中，为了更好地保障基坑施工的安全，有必要对大型基坑支撑体提供一种新型的变形自动分析系统及数据分析方法。

实用新型内容

针对现有技术中无法具体得知其中的荷载变形、温度变形、收缩变形、徐变变形等具体数值及所占比例，在基坑支撑体出现较大变形时，无法采取有效的应对措施的问题，本实用新型提供了一种大型基坑支撑体变形自动分析系统及数据分析方法，能够将监测的应变数据分解为温度应变、荷载应变、收缩应变和徐变应变，清楚得知各应变的具体数值及所长比例，实时监控基坑支撑体的变形数据，为基坑安全施工提供保障。

为解决以上技术问题，本实用新型包括如下技术方案：

一种大型基坑支撑体变形自动分析系统，所述基坑支撑体为钢筋混凝土梁，在施工现场设置与所述基坑支撑体具有相同的截面、配筋和混凝土配比的支撑体模型，所述变形自动分析系统包括，

第一钢筋计，串联连接于所述基坑支撑体的主筋上，用以测量所述基坑支撑体主筋的综合轴力F；

第二钢筋计，串联连接于所述支撑体模型的主筋上，用以测量所述支撑体模型主筋的综合轴力F_模；

第一混凝土应变计，安放于所述基坑支撑体中，用以测量所述基坑支撑体的温度t和综合应变ε；

第二混凝土应变计，安放于所述支撑体模型中，用以测量所述支撑体模型的温度t_模和综合应变ε_模；

智能监测平台，包括数据接收器、数据处理器和显示器；其中，所述数据接收器分别与所述第一钢筋计、第二钢筋计、第一混凝土应变计、第二混凝土应变计相连接，用以接收测量数据F、F_模、t、t_模、ε、ε_模；所述数据处理器，与所述数据接收器相连，内部预设计算公式，将所述第一混凝土应变计的综合应变ε分解为温度应变ε^t、荷载应变ε^T、收缩应变ε^P、徐变应变ε^c；所述显示器，用以显示测量数据及测量数据的分解数据。

进一步，所述数据处理器内部预设的计算公式包括，

ε^t＝m·(t-t₀)；

ε^c＝ε-ε^t-ε^T-ε^P。

其中，m为温度补偿系数，为一常数；

t₀、t_模0—分别第一混凝土应变计和第二混凝土应变计的初始温度；

—为第二混凝土应变计的温度应变；

E_s、A_s—分别为钢筋的弹性模量与第一钢筋计串联主筋的断面面积；

F^T—为第一钢筋计的荷载轴力。

进一步，如权利要求1所述的大型基坑支撑体变形自动分析系统，

在所述基坑支撑体上设置q个测点，每个测点的横断面的钢筋笼上、下、左、右四个方位的主筋上各串联连接一个第一钢筋计，每个测点横断面的中心处布设一个第一混凝土应变计；

在所述支撑体模型上选取S个测点，每个测点的横断面的钢筋笼上、下、左、右四个方位的主筋上各串联连接一个第二钢筋计，每个测点横断面的中心处布设一个第二混凝土应变计。

优选为，所述数据处理器还包括图形输出模块。

优选为，所述支撑体模型下铺设混凝土垫层，在所述支撑体模型与所述混凝土垫层之间铺设隔离层。

优选为，所述隔离层包括自下而上依次设置的油毡隔离层、润滑油膏、油毡隔离层。

本实用新型由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本实用新型提供的大型基坑支撑体变形自动分析系统，能够将监测的应变数据分解为温度应变、荷载应变、收缩应变和徐变应变，清楚得知各应变的具体数值及所长比例，精确反映基坑施工中基坑支撑体的实际受力情况，实时监控基坑支撑体的变形数据，为基坑安全施工提供保障。

附图说明

图1为本实用新型第一实施例提供的大型基坑支撑体变形自动分析系统的结构框图；

图2为本实用新型第二实施例提供的基坑支撑体测点布置图；

图3为支撑体模型的结构示意图；

图4为图3中测点1’的断面图；

图5为本实用新型中第二钢筋计与钢筋串联连接示意图；

图6为本实用新型第三实施例提供的大型基坑支撑体变形自动分析系统的数据分析方法流程框图；

图7为本实用新型第四实施例提供的基坑支撑体各监测点综合变形随时间变化图；

图8为本实用新型第四实施例提供的基坑支撑体变形随时间变化图。

图中标号如下：

基坑支撑体100；第一钢筋计110；第一混凝土应变计120；支撑体模型200；第二钢筋计210；主筋211；第二混凝土应变计220；混凝土垫层230；隔离层240；智能监测平台300；数据接收器310；数据处理器320；图形输出模块321；显示器330。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型提供的大型基坑支撑体变形自动分析系统作进一步详细说明。结合下面说明和权利要求书，本实用新型的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。

实施例一

请参阅图1，图1为本实施例提供的大型基坑支撑体变形自动分析系统的结构框图。该基坑支撑体100为钢筋混凝土梁，并在施工现场设置与基坑支撑体100具有相同的截面、相同配筋、相同混凝土标号并同时浇筑的支撑体模型200。基坑支撑体的变形自动分析系统，包括若干第一钢筋计110、第一混凝土应变计120、第二钢筋计210、第二钢筋计210、第二混凝土应变计220和智能监测平台300。其中，第一钢筋计110，串联连接于基坑支撑体100的主筋上，用以测量基坑支撑体100主筋的综合轴力F；第一混凝土应变计120，安放于基坑支撑体100中，用以测量基坑支撑体100的温度t和综合应变ε；第二钢筋计210，串联连接于支撑体模型200的主筋上，用以测量支撑体模型200主筋的综合轴力F_模；第二混凝土应变计220，安放于支撑体模型200中，用以测量支撑体模型200的温度t_模和综合应变ε_模；智能监测平台300，包括数据接收器310、数据处理器320和显示器330；其中，数据接收器310分别与第一钢筋计110、第一混凝土应变计120、第二钢筋计210、第二混凝土应变计220相连接，用以接收所述测量数据F、F_模、t、t_模、ε、ε_模；数据处理器320与数据接收器310相连，内部预设计算公式，将第一混凝土应变计120的综合应变ε分解为温度应变ε^t、荷载应变ε^T、收缩应变ε^P、徐变应变ε^c；显示器330，用以显示监测数据及测量数据的分解数据。

优选的实施方式为，数据处理器内部预设的计算公式包括，

ε^t＝m·(t-t₀)；

ε^c＝ε-ε^t-ε^T-ε^P。

其中，m为温度补偿系数，为一常数；

t₀、t_模0—分别第一混凝土应变计和第二混凝土应变计的初始温度；

—为第二混凝土应变计的温度应变；

E_s、A_s—分别为钢筋的弹性模量及与第一钢筋计串联主筋的断面面积；

F^T—为第一钢筋计的荷载轴力，F^T＝F-F_模。

需要说明的是，第一钢筋计110与第二钢筋计210仅是为了标示所处位置的不同，其结构、工作原理均相同。目前，钢筋计都是通过串联连接于构件的主筋上，通过采集的钢筋计频率数据，换算出某根钢筋所受轴力，具体公式为：其中，F_s为钢筋计对应轴力；f₀为初始频率；f_i实时频率；k为钢筋计系数。

前述的综合轴力F、F_模均是通过第一钢筋计110、第二钢筋计210的频率数据换算而来。钢筋计测量数值的影响因素，可以分为荷载因素和非荷载因素，其中非荷载因数主要包括温度、混凝土收缩，混凝土徐变对钢筋计的影响可以忽略，另外，支撑体模型200上未作用轴向荷载，故不考虑支撑体模型的荷载轴力。因此，F包括温度轴力F^t、收缩轴力F^P、荷载轴力F^T，而F_模仅包括温度轴力收缩轴力而且截面结构相同、同时浇筑、环境条件相近的情形下，因此，公式中基坑支撑体的荷载轴力F^T的计算公式可选为F^T＝F-F_模。

还需要说明的是，第一混凝土应变计120的读数受到荷载因素以及温度、混凝土收缩、混凝土徐等非荷载因素的影响，因此综合应变ε＝ε^t+ε^T+ε^P+ε^c；第二混凝土应变计，未有轴向荷载，同时在没有轴向荷载的情形下，徐变应变很小，故可以忽略不计，因此

优选为，所述数据处理器320还包括图形输出模块321，绘制并呈现基坑支撑体100的应变、变形随时间变化的曲线图。这样有助于我们更加方便、更直观地了解基坑支撑体应力、应变情况。

实施例二

相对于实施例一，优选的实施方式为，在基坑支撑体100上设置q个测点，每个测点的横断面的钢筋笼上、下、左、右四个方位的主筋上各串联连接一个第一钢筋计110，每个测点横断面的中心处布设一个第一混凝土应变计120；在支撑体模型200上选取S个测点，每个测点横断面的钢筋笼上、下、左、右四个方位的主筋上各串联连接一个第二钢筋计210，每个测点横断面中心处布设一个第二混凝土应变计220。每个测点上取四个第一钢筋计的平均值作为基坑支撑体100在该测点上的应力，每个测点上取四个第二钢筋计的平均值作为支撑体模型200在该测点上的应力。该布置方式，可以更加全面且更加合理地监测基坑支撑体100上的各测点的应力和应变数据。下面对照图2至图5作进一步介绍。

图2为本实施例提供的基坑支撑体测点布置图，基坑的开挖采取分层分区开挖，并设置基坑支撑体100。图中基坑支撑体100采用钢筋混凝土结构，选取一根长为220m的主梁，选取10个测点对该基坑支撑体100进行监测，分别为测点C1-C10。测点的选取方式为，基坑支撑体100由纵向立柱支撑，在两根立柱之间的基坑支撑体上，靠近立柱支点1/3位置设置测点，如测点C1和C10；在施工缝的两侧布设测点，如测点C2和C3、测点C5和C6、测点C8和C9；在基坑支撑体交叉处选取测点，如测点C4和C7。

图3为与图2中支撑体模型200的结构示意图，支撑体模型200与基坑支撑体100具有相同的截面、相同的配筋、相同的混凝土配比、相同的温度湿度环境，并与基坑支撑体100一起浇筑。作为举例，支撑体模型200长度为4m，在距离一端1m、3m处分别设置测点1’、测点2’，每个测点上均设置有第二钢筋计210和第二混凝土应变计220。其中，支撑体模型200底部设置10cm厚的C15混凝土垫层230，在支撑体模型200与垫层230之间设置有隔离层240，隔离层240至上而下依次为油毡隔离层、润滑油膏、油毡隔离层。设置平整的垫层230可以防止支撑体模型200在软土上出现受力不均的情况，隔离层240可降低垫层230对支撑体模型200的温度、收缩效应产生影响。

图4为图3中测点1’的断面图，由于各测点的横断面均相同，故以图3中测点1’的横断面图举例说明。在支撑体模型200的钢筋笼的上下左右四个方位的靠近中部的主筋上分别串联连接1个第二钢筋计210，该钢筋应力计210用于监测各主筋的应力数据，取四个第二钢筋计210的平均值作为测点1’的应力；在钢筋笼的靠近横断面的中心位置设置一个第二混凝土应变计220，该混凝土应变计220用于监测支撑体模型的应变数据和温度数据。因图4为横断面图，故主筋仅显示为一个圆点，为了更好第说明第二钢筋计210与主筋的连接方式，请参阅图5，图5为本实用新型中第二钢筋计210与主筋211串联连接示意图，第二钢筋计210的两端分别焊接在两根主筋211上，与两根主筋211串联在一起。

实施例三

请参阅图6，图6为本实用新型提供的一种大型基坑支撑体变形自动分析系统的数据分析方法的流程框图，下边结合图1至图5，对数据分析方法做进一步描述。该数据分析方法包括如下步骤：

S1.绑扎基坑支撑体100的钢筋笼，选取q个测点，每个测点横断面的钢筋笼上、下、左、右四个方位的钢筋上各串联连接一个第一钢筋计110，每个测点横断面的中心处布设一个第一混凝土应变计120。其中，第一钢筋计110的型号与主筋尺寸相配套。作为举例，如图2中所示，基坑支撑体100上共设置有10个测点，即q＝10。第一钢筋计110可设置在两个主筋的接头处，也可以断开一根主筋，然后将第一钢筋计110焊接在缺口处。

S2.在施工现场绑扎支撑体模型200的钢筋笼，选取S个测点，每个测点横断面的钢筋笼上、下、左、右四个方位的钢筋上各串联连接一个第二钢筋计210，每个测点横断面的中心处布设一个第二混凝土应变计220，并同时浇筑基坑支撑体100、支撑体模型200所需的混凝土，使支撑体模型100与基坑支撑体200具有相同的截面形状及配筋。作为举例，如图3中所示，支撑体模型200上共设置有2个测点，即S＝2。在施工现场，使支撑体模型200与基坑支撑体100具有大致相同的环境中，尽可能消除外界环境的差异。支撑体模型200下铺设混凝土垫层230，在支撑体模型200与垫层230之间设置有隔离层240，隔离层240至上而下依次为油毡隔离层、润滑油膏、油毡隔离层。

S3.将第一钢筋计110、第一混凝土应变计120、第二钢筋计210和第二混凝土应变计220与智能监测平台300连接，并记录第一混凝土应变计120、第二混凝土应变计220的初始温度t_0j、t_模0h。其中：t_0j—为基坑支撑体第j测点的初始温度，j∈[1,q]；t_模0h—分别为i时刻支撑体模型h测点的温度数据h∈[1,S]。工程中，钢筋应力计常采用振弦式钢筋应力计。工程中常用埋入式混凝土应变计，使用频率作为输出信号，抗干扰能力强；并且内置温度传感器，对外界温度影响产生的变化进行温度修正；每个传感器内部有计算芯片，自动对测量数据进行换算而直接输出物理量。第一钢筋计110、第一混凝土应变计120、第二钢筋计210和第二混凝土应变计220均通过导线引出，导线的另一端与智能监测平台300相连接；在设置有无线传输、接收模块时，也可以采用无线传输方式。

需要说明的是，所谓i时刻为某一测量时刻，该时刻可人为选择，也可是预设方式的某一时刻，如预设每间隔一小时读取一次测量数据并对综合应变进行分析。

S4.所述智能监测平台300分别计算所述第一钢筋计110的综合轴力F_ij及第一混凝土应变计120的综合应变ε_ij、监测温度t_ij，和所述第二钢筋计210的综合轴力F_模i及所述第二混凝土应变计的综合应变ε_模ih、监测温度t_模ih。其中：F_ij—为i时刻基坑支撑体第j测点的各第一钢筋计的平均轴力，ε_ij—为i时刻基坑支撑体第j测点的综合变形，t_ij—为i时刻基坑支撑体第j测点的监测温度，F_模i—为i时刻支撑体模型各测点的所有第二钢筋计的平均轴力，ε_模ih—为i时刻支撑体模型第j测点的综合变形，t_模ih—i时刻支撑体模型第h测点的监测温度。

需要说明的是，在基坑支撑体100每个测点均设置了4个第一钢筋计110，因此，综合轴力F_ijn为测点的第n个第一钢筋计110由频率换算的钢筋综合轴力。支撑体模型200上共S个测点，每个测点设置4个第二钢筋计210，因此

S5.将i时刻基坑支撑体100的j测点的综合应变ε_ij分解为温度应变荷载应变收缩应变徐变应变包括如下步骤：

S5-1.计算i时刻基坑支撑体100的j测点的温度应变

S5-2.计算i时刻基坑支撑体j测点的荷载应变其中：

S5-3.计算i时刻基坑支撑体j测点的收缩应变

S5-4.计算i时刻基坑支撑体j测点的徐变应变

其中，m为温度补偿系数；E_s、A_s—分别为钢筋的弹性模量与钢筋的断面面积。

其中，公式F^T＝F-F_模、ε＝ε^t+ε^T+ε^P+ε^c、在实施例一中进行了说明，此处不再赘述。

通过该实施例，我们将i时刻基坑支撑体j测点的综合应变ε_ij通过智能监测平台自动分解为温度应变荷载应变收缩应变徐变应变实现对基坑支撑体100的应变数据实时监测，并清楚掌握其中的各因素在综合应变中所占比例，为有效降低综合应变提供依据。

为了更直观地反映基坑支撑体100的变形情况，我们有必要将应变数据转化为变形数据。优选的实施方式为，步骤S5之后还包括，S6：将第i天所述基坑支撑体上第j测点的温度应变荷载应变收缩应变徐变应变变转化为温度变形荷载变形收缩变形徐变变形

计算公式为：其中，l_j为测点j所涉及基坑支撑体的长度；基坑支撑体总长作为举例，如图2中所示，测点为10个，即P＝10，测点1所涉及的长度l₁为基坑支撑体一端至测点1与测点2的中点处的距离；测点2一侧为施工缝，则测点2所涉及的长度l₂为测点1与测点2的中点至测点2的距离。

进一步，步骤S5中的温度补偿系数m为一常数，获取方式为：(1)具有相同断面、相同配筋、相同混凝土标号的支撑体模型的温度补偿系数也相近，因此，可参考以往工程中计算的温度补偿系数。(2)可通过测量方式获取，测量方法包为：待90天后支撑体模型200的混凝土收缩应变ε_模p趋于稳定，测得混凝土应变ε_模主要由温度应变ε_模t引起，选取N个特征试验天，测量混凝土第n天的应变数据ε_模nj、t_模nj，采用一次线性回归拟合温度补偿系数m，其中，m＝polyfit(t_模nj,ε_模nj,1)；作为举例，施工中支撑体模型200如图3、图4所示，测点1’、测点2’采用方式(1)测算的m值分别为3.318和3.602，取平均值3.46。

实施例四

请参阅图7和图8，其中，图7为本实施例提供的基坑支撑体各监测点综合变形随时间变化图，图8为本实施例提供的基坑支撑体综合变形、荷载变形、徐变变形、温度变形、收缩变形随时间变化图。

在施工中，基坑支撑体上设置10个监测点，各测点布置如图2所示。图7反映了各测点所涉及基坑支撑体的长度内的变形量随时间变化图，测点最大的变形可达到12.5mm。如图8所示，基坑支撑体整个长度上，综合变形在第68天、第86-89天约为60mm，荷载变形最大值出现在第60天约为30mm，徐变变形最大值约为22mm，温度变形最大值约为16mm，收缩变形最大值约为4mm。

综上所述，本实用新型通过在施工现场浇筑与基坑支撑体100同截面、同配筋、同混凝土配比的支撑体模型200，并在基坑支撑体100、支撑体模型200中分别设置与只能监测平台300相连的第一钢筋计110和第一混凝土应变计120、第二钢筋计210、第二混凝土应变计220，从而将监测的综合变形数据分解为荷载变形、徐变变形、温度变形、收缩变形等。本实用新型提供的大型基坑支撑体变形自动分析系统及数据分析方法，能够很清晰地反映出荷载因素及温度、混凝土徐变、混凝土收缩等非荷载因素对基坑支撑体100的影响，能够为针对性降低综合应变提供依据，从而为基坑施工提供安全保障，而且具有结构简单、施工方便的优点。

上述描述仅是对本实用新型较佳实施例的描述，并非对本实用新型范围的任何限定，本实用新型领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (5)

1.一种大型基坑支撑体变形自动分析系统，其特征在于，所述基坑支撑体为钢筋混凝土梁，在施工现场设置与所述基坑支撑体具有相同的截面、配筋和混凝土配比的支撑体模型，所述变形自动分析系统包括，

第一钢筋计，串联连接于所述基坑支撑体的主筋上，用以测量所述基坑支撑体主筋的综合轴力F；

第二钢筋计，串联连接于所述支撑体模型的主筋上，用以测量所述支撑体模型主筋的综合轴力F_模；

第一混凝土应变计，安放于所述基坑支撑体中，用以测量所述基坑支撑体的温度t和综合应变ε；

第二混凝土应变计，安放于所述支撑体模型中，用以测量所述支撑体模型的温度t_模和综合应变ε_模；

智能监测平台，包括数据接收器、数据处理器和显示器；其中，所述数据接收器分别与所述第一钢筋计、第二钢筋计、第一混凝土应变计、第二混凝土应变计相连接，用以接收测量数据F、F_模、t、t_模、ε、ε_模；所述数据处理器，与所述数据接收器相连，内部预设计算公式，将所述第一混凝土应变计的综合应变ε分解为温度应变ε^t、荷载应变ε^T、收缩应变ε^P、徐变应变ε^c；所述显示器，用以显示测量数据及测量数据的分解数据。

2.如权利要求1所述的大型基坑支撑体变形自动分析系统，其特征在于，

在所述基坑支撑体上设置q个测点，每个测点的横断面的钢筋笼上、下、左、右四个方位的主筋上各串联连接一个第一钢筋计，每个测点横断面的中心处布设一个第一混凝土应变计；

在所述支撑体模型上选取S个测点，每个测点的横断面的钢筋笼上、下、左、右四个方位的主筋上各串联连接一个第二钢筋计，每个测点横断面的中心处布设一个第二混凝土应变计。

3.如权利要求1所述的大型基坑支撑体变形自动分析系统，其特征在于，所述数据处理器还包括图形输出模块。

4.如权利要求1至3任一项所述的大型基坑支撑体变形自动分析系统，其特征在于，所述支撑体模型下铺设混凝土垫层，在所述支撑体模型与所述混凝土垫层之间铺设隔离层。

5.如权利要求4所述的大型基坑支撑体变形自动分析系统，其特征在于，所述隔离层包括自下而上依次设置的油毡隔离层、润滑油膏、油毡隔离层。