膨脹劑對(duì)鋼管混凝土徐變及承載力的影響研究

葛　勇，王起才，耿江偉，楊　芳，劉屺陽

(1.甘肅省交通科學(xué)研究院有限公司，蘭州　730070；2.甘肅省橋梁隧道健康監(jiān)測(cè)與安全評(píng)估技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州　730070；3.蘭州交通大學(xué)，蘭州　730070)

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膨脹劑對(duì)鋼管混凝土徐變及承載力的影響研究

葛勇1，2，王起才3，耿江偉1，2，楊芳1，劉屺陽1

(1.甘肅省交通科學(xué)研究院有限公司，蘭州730070；2.甘肅省橋梁隧道健康監(jiān)測(cè)與安全評(píng)估技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州730070；3.蘭州交通大學(xué)，蘭州730070)

為了研究膨脹劑對(duì)密閉鋼管混凝土徐變及承載力的影響，基于CEB/FIP理論，采用數(shù)學(xué)方法，對(duì)鋼管混凝土的核心混凝土的徐變進(jìn)行理論計(jì)算，在試驗(yàn)構(gòu)件尺寸不變的基礎(chǔ)上，通過改變核心混凝土中膨脹劑的摻量，分析膨脹劑對(duì)鋼管混凝土徐變的影響，最后對(duì)構(gòu)件進(jìn)行極限承載力試驗(yàn)。得出采用CEB/FIP方法的理論計(jì)算值與試驗(yàn)值較為吻合，對(duì)鋼管混凝土徐變和承載力，膨脹劑有最佳摻量，并且徐變對(duì)密閉鋼管混凝土的極限承載力稍有提高。

鋼管混凝土；徐變；承載力；膨脹劑

鋼管混凝土(簡(jiǎn)稱CFST)結(jié)構(gòu)在橋梁上的應(yīng)用，可以同時(shí)解決拱橋高強(qiáng)度材料的應(yīng)用和施工架設(shè)兩大難題，且鋼管混凝土除具有強(qiáng)度高、質(zhì)量小、延性好、耐疲勞、耐沖擊等優(yōu)越的力學(xué)性能外，還具有省工省料、架設(shè)輕便、施工快速等優(yōu)越的施工性能。因此CFST拱橋在中國(guó)發(fā)展很快[8-10]。

混凝土的徐變一直是世界研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，也是一個(gè)重點(diǎn)，徐變對(duì)鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)的影響顯著，徐變對(duì)其拱肋撓度、鋼管應(yīng)力增加量、混凝土應(yīng)力減小量等影響都很大。對(duì)于鋼管混凝土，其徐變更是不可忽略。較普通混凝土而言，由于鋼管混凝土中核心混凝土的三向受力特性及大的承載力等特殊性，其徐變更加復(fù)雜，更值得研究。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)混凝土徐變問題的研究已經(jīng)取得了相當(dāng)?shù)某晒?，但仍然沒有得到很好的解決。目前現(xiàn)行的各國(guó)規(guī)范、規(guī)程，對(duì)此問題的處理也存在較大的差異。在我國(guó)主要采用CEB/FIP(1978)中徐變理論來考慮荷載的長(zhǎng)期效應(yīng)。而膨脹劑對(duì)鋼管混凝土徐變和承載力影響的說法更是存在爭(zhēng)議。通過理論分析和試驗(yàn)研究膨脹劑對(duì)鋼管混凝土徐變及承載力的影響。

1　試驗(yàn)內(nèi)容

該試驗(yàn)采用鋼材為Q235，尺寸為φ140 mm×22 mm×500 mm的普通鋼管進(jìn)行鋼管混凝土軸壓徐變?cè)囼?yàn)，模擬研究鋼管混凝土工作過程中一些主要因素對(duì)構(gòu)件徐變的影響。該試驗(yàn)采用大型徐變儀進(jìn)行試驗(yàn)，試件鋼管采用普通Q235焊管，核心混凝土等級(jí)為C50高強(qiáng)混凝土，試驗(yàn)中所采用膨脹劑為UEA型膨脹劑，構(gòu)件核心混凝土配合比見表1，構(gòu)件澆筑過程中振搗密實(shí)，且鋼管混凝土澆筑完成后進(jìn)行密封處理，即上下口各用1塊鋼板密封，以防止構(gòu)件中膨脹效果的損失。

表1　試驗(yàn)用混凝土配合比　kg/m3

在構(gòu)件表面貼有縱向應(yīng)變計(jì)，以測(cè)量試件各變形階段下的應(yīng)變，構(gòu)件的徐變變形用千分表測(cè)量，精度為0.001 mm，各元件都采用錫焊焊接，以保證接通良好，構(gòu)件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下28 d后進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中分級(jí)加載，每級(jí)荷載為50 kN左右，最終荷載占設(shè)計(jì)承載力的30%。試驗(yàn)一直在溫度為20～30 ℃，濕度為40%～60%的環(huán)境中進(jìn)行。試驗(yàn)構(gòu)件見圖1。試驗(yàn)加載見圖2。

圖1　試驗(yàn)構(gòu)件

圖2　試驗(yàn)加載

試驗(yàn)中所用構(gòu)件的尺寸、膨脹劑摻量和持荷方式見表2(列舉其中1組)。

表2　試驗(yàn)內(nèi)容

2　徐變理論

日本滬川一夫等人對(duì)摻加CSA膨脹劑的膨脹混凝土的徐變變形進(jìn)行了研究，結(jié)果表明與普通混凝土相比，膨脹混凝土的徐變較大而且由滲出效應(yīng)引起的徐變中不可恢復(fù)部分更大，特別引人注意[3]。

根據(jù)徐變?cè)囼?yàn)資料，用數(shù)學(xué)方法可以建立徐變加載齡期及持荷時(shí)間之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。在三向應(yīng)力作用下和正常的應(yīng)力作用范圍內(nèi)徐變與應(yīng)力之間近似成線性關(guān)系，具體計(jì)算公式如下

式中Ci——徐變應(yīng)變強(qiáng)度；

C1、C2、C3——3個(gè)主應(yīng)力方向的徐變應(yīng)變分量。

假定多軸徐變符合疊加原理，則在三向應(yīng)力作用下，σ1方向的徐變可用下式計(jì)算

式中C1——在三向應(yīng)力作用下，σ1方向的徐變應(yīng)變分量；

Cu1、Cu2、Cu3——分別為軸向力σ1、σ2、σ3單獨(dú)作用下產(chǎn)生的軸向徐變；

μcp，u——在單軸壓縮應(yīng)力作用下的徐變泊松比。

目前估算徐變值的方法很多，其中較準(zhǔn)確的方法為CEB/FIP方法

混凝土齡期的彈性模量由下式確定

徐變系數(shù)

式中Kb——混凝土配合比修正系數(shù)；

Kc——環(huán)境溫度修正系數(shù)；

Kd——加荷齡期修正系數(shù)；

Ke——構(gòu)件尺寸修正系數(shù)；

Kt——持荷時(shí)間修正系數(shù)；

fc——試件的抗壓強(qiáng)度。

利用上述公式可以求出三向應(yīng)力作用下核心混凝土的徐變應(yīng)變強(qiáng)度。

目前計(jì)算鋼管混凝土極限承載力采用較多的公式為

式中θ——構(gòu)件的套箍系數(shù)；

Ac、As——構(gòu)件核心混凝土和鋼管的橫截面積；

fc、fs——構(gòu)件核心混凝土軸壓強(qiáng)度和鋼管的屈服強(qiáng)度。

通過上述公式，代入該試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算得出在膨脹劑摻量為0%時(shí)，鋼管混凝土承載力為：N0=1 022 kN。

3　試驗(yàn)分析

通過試驗(yàn)得出了膨脹劑對(duì)密閉鋼管混凝土承載力的影響：在一定范圍內(nèi)，當(dāng)鋼管混凝土的承載力與膨脹劑摻量成正相關(guān)， 但是超過極限值后，其承載力與膨脹劑摻量成負(fù)相關(guān)，并且通過試驗(yàn)得出此極限值為8%，即該型號(hào)膨脹劑在摻量8%時(shí)，其效果較好。試驗(yàn)裝置如圖3所示。

圖3　試驗(yàn)裝置

徐變?cè)囼?yàn)完成以后，對(duì)原構(gòu)件做極限承載力試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果中鋼管混凝土承載力與膨脹劑摻量的關(guān)系見表3[1]。

表3　試驗(yàn)參數(shù)

其中極限承載力為構(gòu)件破壞時(shí)所受力的大小，徐變前后所測(cè)得承載力采用2組構(gòu)件分別得到，徐變后極限承載力為做完徐變?cè)囼?yàn)的構(gòu)件試驗(yàn)所得，2組構(gòu)件的其他條件完全相同。

徐變對(duì)鋼管混凝土的極限承載力影響不大，但相對(duì)試驗(yàn)前的極限承載力而言，徐變?cè)囼?yàn)后構(gòu)件的極限承載力稍有提高，如圖4所示。

圖4　徐變前后鋼管混凝土承載力的影響曲線

適量的膨脹劑能提高鋼管混凝土的承載力，并且膨脹劑的微膨脹作用能使核心混凝土更加密實(shí)，從而鋼管混凝土的徐變減小。膨脹劑摻量對(duì)鋼管混凝土徐變的影響關(guān)系與其對(duì)承載力的影響關(guān)系一致，該試驗(yàn)中當(dāng)膨脹劑摻量在8%時(shí)，相應(yīng)的鋼管混凝土的徐變值較小，如圖5所示。

圖5　膨脹劑對(duì)徐變的影響曲線

通過CEB/FIP方法得到的理論計(jì)算值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)較吻合，由于試驗(yàn)中溫度等外在條件的影響，在不加膨脹劑時(shí)，試驗(yàn)值稍大于理論值。

當(dāng)試件卸載后，試件變形量獲瞬間恢復(fù)，其恢復(fù)量約為徐變總變形的60%左右，試件在無荷載情況下放置一段時(shí)間后，又將產(chǎn)生較小的徐變恢復(fù)，試件剩余小于40%的為不可恢復(fù)變形，即在荷載作用下產(chǎn)生的塑性變形，如圖6所示。

圖6　試件徐變恢復(fù)曲線

4　試驗(yàn)結(jié)論

(1)在一定范圍內(nèi)，膨脹劑能夠提高鋼管混凝土試件的承載力，但是膨脹劑有一最佳摻和量，少于或超過最佳摻量都將產(chǎn)生不利影響，該試驗(yàn)中膨脹劑的最佳摻量在8%時(shí)效果最佳，實(shí)際工程中應(yīng)根據(jù)膨脹劑類別做試驗(yàn)確定。

(2)雖然膨脹混凝土的徐變比普通混凝土的徐變大很多，但在密閉條件下，鋼管混凝土中加入最佳摻量膨脹劑可以補(bǔ)償核心混凝土收縮等，降低其徐變作用，并且效果顯著。

(3)鋼管混凝土的徐變?cè)囼?yàn)后構(gòu)件的極限承載力較徐變前構(gòu)件的極限承載力稍有提高，但影響不大。

(4)構(gòu)件卸載后，構(gòu)件的變形會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)恢復(fù)，然后在無荷載作用下慢慢產(chǎn)生徐變恢復(fù)，其最后總的恢復(fù)值約為徐變總變形的60%。

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Research on Effects of Expansive Agent on Bearing Capacity and Creep of CFST

GE Yong1，2， WANG Qi-cai3， GENG Jiang-wei1，2， YANG Fang1， LIU Qi-yang1

(1.Gansu Provincial Transportation Research Institute Co.， Ltd.， Lanzhou 730070， China; 2.Key Laboratory of Health Monitoring and Security Assessment Technology in Bridge and Tunnel， Lanzhou 730070， China;3.School of Civil Engineering， Lanzhou Jiaotong University， LanZhou 730070， China)

In order to study the effects of expansion agent on the bearing capacity and creep of CFST， mathematical method is used to calculate the creep of core-concrete filled steel tube based on the theory of CEB/FIP. In the experiment， the size of experimental specimen remains unchanged and the effects of expansive agent on CFST are analyzed with variable amount of expansive agent in concrete. Finally， the ultimate bearing capacity of the components is tested. To the conclusion， the calculated value by CEB/FIP method is consistent with experimental value. There exists a best dosage of the expansive agent to the bearing capacity and creep and the creep can slightly improve the ultimate bearing capacity of the CFST．

CFST; Creep; Bearing capacity; Expanding agent

2016-02-17；

2016-03-04

長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃(IRT1139)

葛勇(1988—)，男,碩士研究生，E-mail：geyong323@126.com。

1004-2954(2016)09-0071-03

U444

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.09.016