細(xì)長(zhǎng)鋼管混凝土構(gòu)件混凝土應(yīng)變測(cè)試

謝志濤，孫 涵，黃文金

(福建農(nóng)林大學(xué) 交通與土木工程學(xué)院，福建 福州 350002)

鋼管混凝土構(gòu)件以其優(yōu)越的抗壓性能主要用于建筑結(jié)構(gòu)柱、橋墩和拱肋等以受壓為主的結(jié)構(gòu)中[1-2]。當(dāng)柱子的長(zhǎng)細(xì)比較大或荷載偏心率較大時(shí)，通常采用格構(gòu)柱[3]。鋼管混凝土格構(gòu)柱能以較小直徑的柱肢取得較大的截面抗彎剛度，且柱肢以受軸壓力為主，因而能夠充分發(fā)揮鋼管混凝土受壓承載力大的優(yōu)點(diǎn)[4]。鋼管混凝土桁梁是鋼管混凝土結(jié)構(gòu)從受壓結(jié)構(gòu)向受彎結(jié)構(gòu)應(yīng)用的推廣[5-6]。與格構(gòu)柱相似，桁梁能以較小截面的弦桿獲得較大的整體抗彎剛度，是一種合理的受彎結(jié)構(gòu)[7-9]。鋼管混凝土桁梁弦桿管內(nèi)填充混凝土有助于減小腹桿內(nèi)力引起的弦桿鋼管徑向不均勻變形，從而改善節(jié)點(diǎn)處弦桿鋼管受力狀態(tài)[10-12]。

鋼管混凝土桁梁也被一部分研究人員視為在弦桿管內(nèi)填充混凝土的鋼管桁架結(jié)構(gòu)[6]。鋼管桁架結(jié)構(gòu)的受力性能主要取決于相貫節(jié)點(diǎn)，而弦桿內(nèi)力一般不控制設(shè)計(jì)[5]。顯然，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)之一就是鋼管與管內(nèi)混凝土的組合效應(yīng)。因此，正確界定鋼管混凝土桁梁的結(jié)構(gòu)性能，與管內(nèi)混凝土應(yīng)力狀態(tài)有很大關(guān)系。鋼管混凝土桁梁的弦桿管徑較小，不便于在管內(nèi)布設(shè)混凝土應(yīng)變計(jì)。以往在結(jié)構(gòu)分析時(shí)，往往對(duì)管內(nèi)混凝土受力狀態(tài)作理想化假定，即管內(nèi)混凝土與弦桿鋼管協(xié)調(diào)變形。然而，已有的試驗(yàn)研究表明，在鋼管混凝土桁梁?jiǎn)适дw極限承載力時(shí)，弦桿管內(nèi)混凝土受力并不明顯，與傳統(tǒng)鋼管混凝土柱甚至鋼管混凝土梁的管內(nèi)混凝土有很大區(qū)別[1,9]。常用的內(nèi)埋式混凝土應(yīng)變傳感器造價(jià)高，而且其較大的外觀尺寸勢(shì)必?cái)D占鋼管斷面空間而影響管內(nèi)混凝土澆筑質(zhì)量。為此，本文針對(duì)小管徑、大長(zhǎng)細(xì)比的鋼管混凝土構(gòu)件，研究管內(nèi)混凝土應(yīng)變測(cè)試技術(shù)，開發(fā)簡(jiǎn)易的內(nèi)埋式混凝土應(yīng)變計(jì)及其定位裝置，同時(shí)進(jìn)行普通強(qiáng)度等級(jí)的自密實(shí)混凝土試配和澆筑工藝設(shè)計(jì)。

1內(nèi)埋式混凝土應(yīng)變計(jì)設(shè)計(jì)

1.1鋼管混凝土桁梁試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃?jiǎn)介

鋼管混凝土桁梁模型全長(zhǎng)為6 000 mm，計(jì)算長(zhǎng)度為5 760 mm，外觀高度為602 mm，見(jiàn)圖1。弦桿鋼管為Φ102.0 mm×4.5 mm，腹桿鋼管為Φ57.0 mm×4.0 mm，腹桿布置采用修正Warren式，斜腹桿軸線與弦桿軸線夾角為52°，弦桿管內(nèi)填充C40混凝土。

鋼管混凝土桁梁試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖孪覘U兩端簡(jiǎn)支于反力臺(tái)座上，通過(guò)千斤頂對(duì)上弦桿跨中截面施加荷載。為了減小外力和腹桿力對(duì)弦桿管內(nèi)混凝土應(yīng)變測(cè)試精度的影響，本試驗(yàn)只在1/24跨徑截面以及跨中截面測(cè)試管內(nèi)混凝土的軸向應(yīng)變。

1.2 內(nèi)埋式混凝土應(yīng)變計(jì)設(shè)計(jì)

在往鋼管混凝土桁梁弦桿管內(nèi)灌注新拌混凝土之前，預(yù)先將混凝土應(yīng)變計(jì)預(yù)埋于弦桿鋼管設(shè)計(jì)位置處。混凝土應(yīng)變計(jì)包括混凝土棱柱體、混凝土應(yīng)變片、卡口鋼片、數(shù)據(jù)線和牽引繩組成。混凝土應(yīng)變計(jì)通過(guò)卡口鋼片和牽引繩固定于測(cè)試截面。如圖2a和2b所示，弦桿鋼管外徑102.0 mm，壁厚4.5 mm，混凝土應(yīng)變計(jì)橫斷面邊長(zhǎng)為30.0 mm，卡口鋼片全長(zhǎng)為59.0 mm，自由段長(zhǎng)度為29.0 mm，弦桿鋼管內(nèi)部?jī)艨臻g足夠新拌自密實(shí)混凝土通過(guò)并保證密實(shí)。

混凝土應(yīng)變片采用502膠水粘貼于混凝土棱柱體表面，如圖2b所示，并采用環(huán)氧樹脂和紗布覆蓋起來(lái)，以保護(hù)應(yīng)變片在澆筑混凝土過(guò)程免受振搗和水分侵蝕?；炷晾庵w為普通混凝土，但其強(qiáng)度等級(jí)與管內(nèi)自密實(shí)混凝土的一致。混凝土應(yīng)變計(jì)卡口鋼片采用結(jié)構(gòu)膠粘貼于混凝土棱柱體表面，鋼片自由端抵于弦桿鋼管內(nèi)壁，從而限制了混凝土應(yīng)變計(jì)沿弦桿鋼管徑向移動(dòng)。為了將混凝土應(yīng)變計(jì)從弦桿端部沿著弦桿軸向(縱向)移動(dòng)到設(shè)計(jì)位置，除了將鋼片端角打磨成圓角外，還在混凝土棱柱體內(nèi)預(yù)埋兩條縱向牽引繩。

此外，采用手持式鉆孔機(jī)在弦桿管壁開孔，如圖3所示，通過(guò)塑料套管保護(hù)的混凝土應(yīng)變片數(shù)據(jù)線，這一措施既可保護(hù)數(shù)據(jù)線也可減小數(shù)據(jù)線干擾管內(nèi)混凝土澆筑。加載試驗(yàn)前，采用結(jié)構(gòu)膠和弧形鋼板對(duì)弦桿鋼管開孔處進(jìn)行覆蓋以進(jìn)行局部加強(qiáng)。

2 管內(nèi)混凝土試配和澆筑

2.1 自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)

自密實(shí)混凝土又稱自流平混凝土、免振搗混凝土，是基于施工性能來(lái)分類和命名的。自密實(shí)混凝土通過(guò)膠凝材料、粗骨料、細(xì)骨料和外加劑的選擇來(lái)進(jìn)行配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得拌合物屈服值減小且又具有足夠的塑性粘度；粗細(xì)骨料能夠懸浮于水中不離析、不泌水，在不用或基本不用振搗的成型條件下，能充分填充所有的空隙，形成密實(shí)而均勻的混凝土結(jié)構(gòu)；硬化后，具有良好的力學(xué)性能和耐久性能。

自密實(shí)混凝土有多種的配合比設(shè)計(jì)方法和理論依據(jù)，如固定砂石法[13]、簡(jiǎn)易配合比法[14]、參數(shù)法[15]、改進(jìn)全計(jì)算法[16]、絕對(duì)體積法[17]、純粹經(jīng)驗(yàn)推導(dǎo)法[18]等，不同配合比設(shè)計(jì)的自密實(shí)混凝土的工作性能以及力學(xué)強(qiáng)度也有較大差異。本文桁梁模型試驗(yàn)分別采用了固定砂石法、絕對(duì)體積法和參數(shù)法進(jìn)行試配。

自密實(shí)混凝土試配所采用的原材料為煉石牌PO42.5普通硅酸鹽水泥，其密度ρc為3.12 g/cm3；一級(jí)粉煤灰，其近似密度ρf為2.30 g/cm3；閩江中砂，其近似密度為2.67 g/cm3，堆積密度為1.48 g/cm3；碎石，其近似密度為2.61 g/cm3，堆積密度為1.57 g/cm3，最大粒徑為10 mm；自來(lái)水；TW-PS聚羧酸減水劑，為福建省建筑科學(xué)研究院所生產(chǎn)，固化率為27%。三種配合比的材料用量如表1所示。表1中減水劑摻量是指減水劑與膠凝材料的百分比；T50表示坍落擴(kuò)展度達(dá)到500 mm的流動(dòng)時(shí)間；Tv表示V形漏斗內(nèi)混凝土全部流出的時(shí)間，用于測(cè)量新拌混凝土的粘稠性和抗離析性；H2/H1表示L型儀兩邊箱體中拌合物的高度比值，施工現(xiàn)場(chǎng)多采用此法；Δh為U型箱B室未填充的高度，此方法用于測(cè)量混凝土拌合料通過(guò)鋼筋間隙與自行填充模板角落的能力[17,19]。

由表1可知，三種方法試配的自密實(shí)混凝土的工作性能均滿足自密實(shí)混凝土工作性的一般要求。實(shí)際上，由于試配混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)較低，在采用固定砂石法試配過(guò)程中，泌水現(xiàn)象比較嚴(yán)重，如圖4所示，后經(jīng)多次調(diào)整形成了表1中的配合比設(shè)計(jì)方案。

根據(jù)剛度相似原理，桁梁試件弦桿管內(nèi)混凝土強(qiáng)度等級(jí)設(shè)計(jì)為C40。為此，對(duì)三種自密實(shí)混凝土的不同齡期強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試?；炷亮⒎襟w標(biāo)準(zhǔn)試塊抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表2，三種方法配制的自密實(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度均符合設(shè)計(jì)要求。綜合對(duì)比混凝土的工作性和強(qiáng)度可以發(fā)現(xiàn)：(1)絕對(duì)體積法的用水量范圍較窄，流動(dòng)性較差；(2)參數(shù)法跟材料本身的性能有很大的關(guān)系，適用性較差；(3)固定砂石體積法的參數(shù)意義明確，設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)單，適用性較好，坍落擴(kuò)展度大。因此，鋼管混凝土桁梁試件弦桿管內(nèi)混凝土的配合比采用固定砂石法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

表1 不同設(shè)計(jì)方法的自密實(shí)混凝土配合比及其工作性能

技術(shù)指標(biāo)原材料用量/kg.m-3水泥沙子碎石水粉煤灰減水劑/%密度/kg.m-3坍落拓展度/mmT50/sTv/sH2H1Δh/mm固定砂石法356.8802.9802.9233.4153.10.62349.07303.512.90.9123絕對(duì)體積法392.3797.2861.2197.2168.31.22383.46903.718.20.8120參數(shù)法336.7713.1963.0217.0144.41.22338.17203.415.80.8923自密實(shí)混凝土指標(biāo)要求(-550,750)(2.0,5.0)(5.0,20.0)≥0.8≤30

表2 混凝土標(biāo)準(zhǔn)試塊抗壓強(qiáng)度 (單位：MPa)

2.2 澆筑桁梁試件管內(nèi)混凝土

在澆筑鋼管混凝土桁梁試件弦桿管內(nèi)混凝土之前，采用PVC管模擬弦桿鋼管進(jìn)行試澆筑試驗(yàn)。在正式澆筑混凝土?xí)r，除了不斷攪拌混凝土拌合料外，還采用食品保鮮膜覆蓋拌合料以減少水分蒸發(fā)。澆筑混凝土?xí)r，將桁梁試件斜靠在預(yù)先搭設(shè)的施工平臺(tái)上，利用混凝土自重加快混凝土沿弦桿鋼管內(nèi)壁流動(dòng)、使之密實(shí)。此外，為了避免因泌水、離析等原因?qū)е妈炝合覘U兩端混凝土不夠密實(shí)，還采用PVC管對(duì)弦桿兩端進(jìn)行接長(zhǎng)。弦桿管內(nèi)混凝土終凝完成后，抽掉PVC管再采用微膨脹補(bǔ)強(qiáng)混凝土和鋼板對(duì)弦桿鋼管兩端進(jìn)行封口。

弦桿管內(nèi)混凝土澆筑分階段進(jìn)行，以安裝管內(nèi)混凝土應(yīng)變計(jì)及其定位構(gòu)造。正式灌注弦桿管內(nèi)混凝土前，先將導(dǎo)線管從弦桿中部的開孔處深入至端部，將混凝土應(yīng)變計(jì)數(shù)據(jù)線與導(dǎo)線管臨時(shí)連接后，再通過(guò)導(dǎo)線管將混凝土應(yīng)變計(jì)數(shù)據(jù)線和定位線牽引出弦桿鋼管預(yù)留孔道。此時(shí)，混凝土應(yīng)變計(jì)仍位于弦桿端部。此后，開始往弦桿鋼管內(nèi)灌注混凝土，直至混凝土砂漿開始從弦桿鋼管開孔處外溢，然后通過(guò)牽引繩將混凝土應(yīng)變計(jì)準(zhǔn)確定位至設(shè)計(jì)截面。固定好牽引繩，繼續(xù)澆注弦桿管內(nèi)混凝土直至PVC管接長(zhǎng)段。

在混凝土初凝和終凝完成后，分別采用萬(wàn)用表對(duì)混凝土應(yīng)變片的工作狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明應(yīng)變片電阻值正常，混凝土應(yīng)變計(jì)處于正常工作狀態(tài)。

3 結(jié)語(yǔ)

自密實(shí)混凝土的工作性能受原材料影響較大，在灌注鋼管混凝土梁或桁架小比例模型的管內(nèi)混凝土?xí)r，應(yīng)采用原材料加強(qiáng)試配和澆筑工藝試驗(yàn)。對(duì)于實(shí)際工程，可以往鋼管內(nèi)泵送自密實(shí)混凝土，因此在使用內(nèi)埋式混凝土應(yīng)變計(jì)時(shí)只需考慮定位問(wèn)題，而不必?fù)?dān)心管內(nèi)混凝土是否能夠密實(shí)；若要對(duì)混凝土應(yīng)變進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，則可以考慮使用市面上常用的混凝土應(yīng)變計(jì)；若對(duì)大量截面的混凝土應(yīng)變進(jìn)行短期監(jiān)測(cè)，甚至是對(duì)管內(nèi)混凝土溫度梯度進(jìn)行量測(cè)，則可采用本文開發(fā)的混凝土應(yīng)變計(jì)，以降低造價(jià)和施工難度。

參考文獻(xiàn)：

[1] 韓林海, 楊有福. 現(xiàn)代鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)[M].北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2004．

[2] 蔡紹懷. 現(xiàn)代鋼管混凝土結(jié)構(gòu)[M].北京:人民交通出版社, 2003．

[3] 陳寶春. 鋼管混凝土拱橋(第二版)[M].北京: 人民交通出版社, 2007．

[4] 陳寶春, 歐智菁. 四肢鋼管混凝土格構(gòu)柱極限承載力試驗(yàn)研究[J]. 土木工程學(xué)報(bào), 2007, 40(6):32-41．

[5] 黃文金. 鋼管混凝土桁梁極限承載力研究[D]. 福州: 福州大學(xué), 2009．

[6] 韓林海．鋼管混凝土結(jié)構(gòu)-理論與實(shí)踐[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2004．

[7] 狄 謹(jǐn), 周緒紅, 劉永健. 矩形鋼管混凝土桁架節(jié)點(diǎn)極限承載力研究[J]. 中國(guó)公路學(xué)報(bào), 2004, 17(3):62-67．

[8] 莊一舟，吳建華，吳開成，等．預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土桁架應(yīng)用與研究探討[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào), 2003, 24(2):38-41．

[9] 張聯(lián)燕，李澤生，程懋方．鋼管混凝土桁架組合梁式結(jié)構(gòu)[M]. 北京: 人民交通出版社, 2000．

[10] 陳寶春，黃文金．鋼管混凝土K形相貫節(jié)點(diǎn)極限承載力試驗(yàn)研究[J]．土木工程學(xué)報(bào), 2009, 42(12):91-98．

[11] 陳寶春，黃文金．圓管截面桁梁極限承載力試驗(yàn)研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào), 2007, 28(3)：31-36．

[12] 黃文金，陳寶春．腹桿形式對(duì)鋼管混凝土桁梁受力性能影響的研究[J]．建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2009，30(1):55-61．

[13] 吳中偉，廉慧珍．高性能混凝土[M]．北京：中國(guó)鐵道出版社，1999．

[14] NAN SU，KUNG CHUNG HSU，HIS WEN CHAI. A simple mix design method for self-compacting concrete [J]. Cement and Concrete Research, 2001, 31(12): 1799-1807.

[15] 吳紅娟．自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)方法研究[D].天津: 天津大學(xué), 2005．

[16] 姜德民, 高振林. 高性能自密實(shí)混凝土的配合比設(shè)計(jì)[J]. 北方工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001, 13(9): 89-96．

[17] TGJ/T283-2012．自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程[S]．

[18] 范志宏，蘇達(dá)根，王勝年．自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)方法研究[J]. 水運(yùn)工程, 2004(2): 11-15．

[19] GB/T 50081-2002．普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S]．