高強鋼管高強混凝土徐變特性試驗研究

黃永輝，劉愛榮，傅繼陽，朱書漢，饒 瑞

(廣州大學(xué)風(fēng)工程與工程振動研究中心，廣東，廣州510006)

鋼管混凝土(CFST)是一種極具潛力的組合結(jié)構(gòu)形式，其充分結(jié)合了鋼材和混凝土的優(yōu)點。目前，隨著工藝進步和各種硅灰、添加劑的使用，強度大于100 MPa 的高強混凝土的制備越發(fā)容易，然而高強混凝土由于脆性大，不能直接應(yīng)用于建筑與橋梁結(jié)構(gòu)[1?2]，為了增加其延性，可將高強混凝土與高強鋼管進行組合，形成高強鋼管高強混凝土(HS-CFST)，充分利用高強鋼管的約束作用，使核心混凝土具有一定的延性，從而滿足結(jié)構(gòu)使用性能的要求[3]。徐變是混凝土的重要特性，將導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的長期變形，并會對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重大的應(yīng)力重分布影響[4?6]。目前，國內(nèi)外很多學(xué)者對鋼管普通混凝土的收縮和徐變特性進行了大量的試驗研究。其中，Terrey等[7]、Uy[8]和Kwon 等[9]進行了鋼管混凝土試件的收縮和徐變試驗，并采用ACI209徐變預(yù)測模型與試驗結(jié)果進行了對比分析。Vandewalle[10]進行了變溫變濕環(huán)境的混凝土收縮和徐變特性試驗研究，重點研究了溫濕度變化對徐變的影響。Yang等[11]進行了9個鋼管普通混凝土和3個素混凝土試件分別在3種不同應(yīng)力水平下的收縮和徐變試驗，實測了1710 d 的實測數(shù)據(jù)，并在試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上對ACI209徐變模型進行了修正。Wang等[12]依托北盤江大橋工程，實測了該大橋所用鋼管混凝土的收縮和徐變特性，并基于試驗結(jié)果，對MC2010徐變模型進行了修正。還有部分學(xué)者對鋼管再生骨料混凝土[13]、鋼管膨脹混凝土[14]、鋼管粉煤灰混凝土等[15]的收縮和徐變特性進行了試驗研究。彭建新等[16]推導(dǎo)了鋼管混凝土拱肋應(yīng)力重分布計算公式，王玉銀等[17]對5種常用的鋼管混凝土收縮和徐變模型及3種常用的計算方法進行了對比分析，丁敏等[18]提出了適用于鋼管混凝土軸心受壓構(gòu)件的徐變預(yù)測模型-Huo模型。曹萬林等[19]對11個配筋再生混凝土棱柱體試件進行了長期軸壓荷載下的徐變試驗，研究了再生骨料取代率配筋對混凝土徐變特性的影響。

針對高強鋼管高強混凝土的收縮和徐變特性，Ma 和Wang[20]進行了8個高強鋼管混凝土試件的徐變試驗，實測了380 d 的徐變數(shù)據(jù)，基于B3模型提出了高強鋼管混凝土的徐變預(yù)測模型。Farhad[21]基于徐變試驗數(shù)據(jù)庫的結(jié)果，對比分析了普通和高強自密實混凝土的徐變特性，并提出了徐變預(yù)測模型。Pan 等[22]評估了幾種常用徐變模型如ACI 209-92[23]、JTG D62?2004[24]、B3[25]和GL 2000[26]的適用性，并在JTG D62?2004[24]徐變模型的基礎(chǔ)上提出了一種修正模型。

綜上，國內(nèi)外關(guān)于高強鋼管高強混凝土收縮和徐變特性的研究并不多見，由于高強混凝土的配合比與普通混凝土存在較大差異，既有的鋼管普通混凝土的收縮和徐變試驗結(jié)果和徐變模式能否推廣應(yīng)用于高強鋼管高強混凝土還存在不確定性。為此，本文將進行高強鋼管高強混凝土軸壓短柱試件的收縮和徐變試驗，實測其徐變變化規(guī)律，通過將現(xiàn)有的徐變預(yù)測模型的理論計算結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比，比選出適用于高強鋼管高強混凝土最優(yōu)的徐變預(yù)測模型，從而為研究高強鋼管高強混凝土拱橋的時變力學(xué)行為提供依據(jù)。

1 混凝土收縮和徐變模型

1.1 素混凝土的收縮和徐變預(yù)測模型

國內(nèi)外現(xiàn)有常用的素混凝土徐變預(yù)測模型主要包括如下幾種：MC90模型[27]、ACI209模型[23]、B3模型[25]、GL2000模型[26]、MC2010等[28]。其中MC90模型[27]和ACI209模型[23]應(yīng)用最為廣泛，而MC2010模型[28]將徐變分為基本徐變和干燥徐變，特別適用于鋼管核心混凝土。因此本文主要采用MC90模型[27]、ACI209模型[23]和MC2010模型[28]與試驗結(jié)果進行對比分析。

1.2 鋼管混凝土的收縮和徐變預(yù)測模型

對于鋼管約束的核心混凝土，其工作環(huán)境與素混凝土主要存在以下2點不同：一是核心混凝土被鋼管所密封，其無法與外部進行濕度的交換，也就不存在干燥收縮與干燥徐變；二是核心混凝土被鋼管所約束而無法自由的變形，這也將導(dǎo)致混凝土和鋼管的內(nèi)力重分布，即鋼管的應(yīng)力變大，混凝土的應(yīng)力變小，從而導(dǎo)致核心混凝土的徐變變小。因此，上述素混凝土的收縮和徐變預(yù)測模型無法直接用來預(yù)測鋼管混凝土的收縮和徐變。

為了考慮鋼管混凝土的密封性，通常的做法是在徐變模型計算時將相對濕度取一個大值，根據(jù)文獻[29]的試驗研究結(jié)果，一般取值為RH>95%。另外，如果徐變模式將徐變分為基本徐變和干燥徐變，則可以直接將干燥徐變?nèi)?，從而只考慮基本徐變的影響。為了考慮鋼管的約束作用，可以通過內(nèi)力平衡條件，建立鋼管和混凝土的變形協(xié)調(diào)方程來考慮其內(nèi)力重分布的影響[30]。其中最常用的方法有2種[31]：一是按齡期調(diào)整的有效模量法(AAEM)；二是逐步積分法(Step-by-Step)。這兩種方法各有優(yōu)缺點，AAEM 是一種代數(shù)的方法[32]，其可以理論推導(dǎo)徐變變形的解析表達式，便于工程設(shè)計。而逐步積分法精度更高，但需要編程實現(xiàn)，不利于設(shè)計和規(guī)范采用。為此，本文采用AAEM 計算鋼管混凝土的收縮和徐變系數(shù)表達式。文獻[33]的研究結(jié)果表明，AAEM的計算精度與逐步積分法誤差并不大。

當(dāng)采用AAEM 法進行鋼管混凝土的收縮和徐變計算時，其徐變系數(shù)表達式如下[32]：

2 收縮和徐變試驗

2.1 模型設(shè)計

本次試驗一共設(shè)計了4組共15 個模型，其中A0 組為素混凝土模型，包括2個高強素混凝土徐變模型和1個收縮模型；A1～A3組分別為含鋼率8%、10%、12%的高強鋼高強混凝土模型，分別包括3個高強鋼高強混凝土徐變模型和1個收縮模型。鋼管的外徑為140 mm，鋼管壁厚分別為2.5 mm、3.2 mm 和4 mm，試件高度為320 mm。加載試件的核心混凝土應(yīng)力水平即施加的長期荷載與極限荷載的比值為0.30，試件的極限荷載通過軸壓短柱的承載力試驗得到。試驗?zāi)Ｐ蛥?shù)見表1。

表1 收縮和徐變試驗?zāi)Ｐ蛥?shù)表Table 1 Details of creep and shrinkage experiment specimens

2.2 材料參數(shù)

高強鋼材采用Q560鋼材，通過材性試驗實測得到的鋼材屈服強度為560 MPa，極限強度為688 MPa，彈性模量為220 GPa，泊松比為0.292，延伸率為29.0%。

核心混凝土28 d 立方體強度為106.3 MPa，配合比如表2所示，實測得到的混凝土力學(xué)特性如表3所示。

表2 試驗混凝土配合比/(kg/m3)Table2 Concretemixing proportion for testing

表3 混凝土力學(xué)性能實測值Table 3 Tested mechanical propertiesof concrete

2.3 收縮和徐變測試裝置

試驗加載設(shè)備采用北京儀創(chuàng)YC-XB100S型混凝土徐變儀，如圖1所示。加載裝置由3根大直徑螺桿，上、中、下3塊加載鋼板，壓力傳感器和底部彈簧組成。該裝置最大加載能力為1000 kN，通過電動千斤頂施加荷載，所施加的荷載由壓力傳感器通過讀數(shù)儀實時顯示。底部彈簧的恢復(fù)力可以有效消除由于徐變變形導(dǎo)致的力的卸載。

圖1 混凝土徐變試件和加載裝置Fig.1 Specimensand testing instrumentations

在鋼管表面前、后、左、右4個方向?qū)ΨQ布置振弦傳感器和應(yīng)變片采集鋼管應(yīng)變，在核心混凝土的中央預(yù)先埋入振弦傳感器用于測試混凝土應(yīng)變。應(yīng)變測點布置示意圖如圖2所示。表面式振弦傳感器采用北京基康的BGK-4000x 傳感器，埋入式振弦傳感器采用北京基康的BGK-4200x 傳感器，應(yīng)變花采用日本TML 公司生產(chǎn)的型號為FCA-3-11-3LJBT雙軸應(yīng)變花。

圖2 應(yīng)變測點布置圖 /mmFig.2 Arrangement of strain measuring points

試驗中電阻應(yīng)變片采用揚州晶明JM3813靜態(tài)應(yīng)變采集儀進行數(shù)據(jù)采集，每臺應(yīng)變采集儀60個通道。振弦傳感器采用揚州晶明JM3818A 頻率采集儀進行。JM3813與JM3818A 均自帶有蓄電池和存儲卡，可以在斷電情況下連續(xù)工作48 h，保證了測試的連續(xù)性。試驗在恒溫的實驗室進行，通過空調(diào)將溫度控制在20℃ ± 2℃以內(nèi)，濕度控制在50%～70%，盡量消除溫濕度的影響。

3 試驗結(jié)果和分析

3.1 收縮應(yīng)變

圖3(a)為4個收縮試件的收縮應(yīng)變隨時間的變化曲線，由圖可知，素混凝土的收縮應(yīng)變遠大于鋼管混凝土的收縮應(yīng)變，當(dāng)加載365 d 后，素混凝土的收縮應(yīng)變約為鋼管混凝土的3倍。無論是素混凝土還是鋼管混凝土，收縮應(yīng)變只是在早期增加的非常迅速，而隨著時間增加，增速越來越慢，加載200 d 后，鋼管混凝土的收縮已基本穩(wěn)定，但是素混凝土的收縮還在持續(xù)增加。圖3(b)為3個不同含鋼率鋼管混凝土試件的收縮應(yīng)變隨時間的變化曲線，由圖可知，含鋼率對鋼管混凝土的收縮基本無影響，當(dāng)加載365 d 后，含鋼率分別為8%、10%、12%的試件的收縮應(yīng)變分別為21με、20με 和19με，幾乎相等。這主要是因為：1)由于鋼管的密封作用，核心混凝土與外部環(huán)境沒有水分的交換，其收縮值非常小，導(dǎo)致其差距不明顯；2)三個試件的含鋼率差異不大，難以對鋼管混凝土的收縮產(chǎn)生明顯影響。

圖3 實測收縮應(yīng)變-時間曲線Fig.3 Experimental shrinkagestrain vs.time

3.2 徐變應(yīng)變和徐變系數(shù)

素混凝土和鋼管混凝土的徐變應(yīng)變隨時間的變化曲線如圖4所示，在這些曲線中均減去了相應(yīng)的收縮應(yīng)變。由圖可知：1)鋼管混凝土和素混凝土的徐變具有相同的趨勢，徐變應(yīng)變均隨著時間的增加而增加，且早期增加速度較快；2)鋼管混凝土的徐變應(yīng)變遠小于素混凝土，當(dāng)加載365 d后，A0組(素混凝土)、A1、A2和A3(鋼管混凝土)組的平均徐變應(yīng)變分別為464με、214με、221με 和194με，鋼管混凝土的徐變應(yīng)變小于素混凝土的1/2；3) A2組3個試件徐變應(yīng)變的離散性較大，這主要是因為加載偏心導(dǎo)致。同一組中3個試件為層疊放置，加載時偏心難以避免，若偏心較大則實測應(yīng)變的離散性也較大。綜合三組試件結(jié)果可知，A2組的偏心更為嚴(yán)重，但通過對3個試件取平均值，可有效消除偏心的影響。

圖4 實測徐變應(yīng)變-時間曲線Fig.4 Experimental Creep Strain vs.Time

將徐變應(yīng)變除以試件加載時刻的初始彈性應(yīng)變即可得到試件的徐變系數(shù)，如圖5所示。由圖可知，徐變系數(shù)曲線的變化規(guī)律與徐變應(yīng)變一致，在加載早期徐變系數(shù)快速增加，而后期增長緩慢。

圖5 實測徐變系數(shù)-時間曲線Fig.5 Experimental creep coefficient vs.time

鋼管混凝土與素混凝土的徐變系數(shù)對比如圖6(a)所示，由圖可知，鋼管混凝土的徐變系數(shù)遠小于素混凝土，當(dāng)加載365 d 后，A0、A1、A2和A3組的平均徐變系數(shù)分別為0.554、0.256、0.243和0.239，鋼管混凝土的徐變系數(shù)小于素混凝土的1/2。

不同含鋼率鋼管混凝土試件的徐變系數(shù)對比如圖6(b)所示，由圖可知，徐變系數(shù)隨著含鋼率的增加而減小，這與理論公式是一致的，可由式(1)直觀看出。但由于本次試驗?zāi)Ｐ偷暮撀什町惒淮?，?dǎo)致各曲線的差異不明顯。

圖6 高強鋼管高強混凝土與素混凝土徐變系數(shù)對比Fig.6 Comparison of the creep coefficient between HS-CFST and plain concrete

3.3 試驗結(jié)果和規(guī)范模型的對比

本文將試驗結(jié)果與MC90模型[27]、ACI209模型[23]和MC2010模型[28]的預(yù)測結(jié)果進行對比。在這3種徐變模型中，需要用到的設(shè)計參數(shù)如表4所示。由于鋼管的密閉作用，相對濕度RH取為99%，fcm為混凝土平均抗壓強度。模型預(yù)測結(jié)果為按式(1)修正后的結(jié)果。

表4 徐變模型計算參數(shù)Table 4 The parametersfor thecreep models

圖7為試驗結(jié)果與3種徐變預(yù)測模型計算結(jié)果的對比。由圖可知：1)無論是試驗結(jié)果還是預(yù)測結(jié)果均表現(xiàn)出同樣的規(guī)律，即徐變在開始加載階段增長較快，隨著時間的增加而變得平緩；2)無論是素混凝土還是鋼管混凝土，在這3種徐變預(yù)測模型中，MC2010模型[28]與實測結(jié)果吻合最好，其次為MC90模型[27]，ACI209模型[23]的預(yù)測結(jié)果誤差最大。MC90模型[27]和ACI209模型[23]均高估了素混凝土和鋼管混凝土的徐變，因此在工程設(shè)計中推薦采用MC2010模型[28]來預(yù)測素高強混凝土及高強鋼管高強混凝土的收縮和徐變。

圖7 試驗結(jié)果與模型預(yù)測結(jié)果對比圖Fig.7 Comparison between experimental resultsand predicted onesfrom existing models

4 徐變特性對比研究

為了對比高強鋼管高強混凝土與普通鋼管混凝土收縮和徐變特性的不同，同時還進行了C30鋼管混凝土和C50鋼管混凝土短柱的徐變試驗，實測了365 d 的收縮和徐變值。普通鋼管混凝土徐變試件的參數(shù)如表5所示，其中鋼管采用的是Q235普通鋼材，鋼管厚度分別為5 mm、6 mm 和7 mm這3種，其他尺寸參數(shù)與高強鋼管高強混凝土試件相同。

表5 普通鋼管混凝土收縮和徐變試驗參數(shù)Table5 Parametersof creep and shrinkage experiments of N-CFST specimens

圖8為C30鋼管混凝土和C50鋼管混凝土的實測徐變系數(shù)隨時間的變化曲線。由圖8可知：1)普通鋼管混凝土與高強鋼管高強混凝土的徐變系數(shù)呈現(xiàn)相同的規(guī)律，即徐變在加載初期增長較快，后期變得平緩，加載200 d 后，混凝土的徐變開始穩(wěn)定，前60 d 的徐變值達到了365 d 徐變值的70%；2)鋼管混凝土的徐變隨著含鋼率的增加而減小，3種不同含鋼率試件的徐變系數(shù)曲線之間差別非常明顯；3)徐變系數(shù)隨著混凝土強度的增加而減小，相同設(shè)計參數(shù)下，C50鋼管混凝土的徐變系數(shù)比C30鋼管混凝土的徐變系數(shù)小約10%。

圖8 普通鋼管混凝土實測徐變系數(shù)曲線Fig.8 Experimental creep coefficient vs.time of normal CFST

為對比普通鋼管混凝土與高強鋼管高強混凝土收縮和徐變的異同，選用普通鋼管混凝土的C30-5和C50-5試件與高強混凝土的A3(C105-4)試件進行對比分析。這3組試件的含鋼率基本一致，其中C30-5和C50-5的含鋼率為15.9%，C105-4的含鋼率為12%。徐變系數(shù)的對比曲線如圖9所示，試驗參數(shù)如表6所示。由圖9可知：3組試件的徐變系數(shù)曲線存在明顯的區(qū)別，混凝土的徐變隨著強度的提高而減小。加載365 d 后，C30-5、C50-5、A3(C105-4)的徐變系數(shù)分別為0.271、0.254和0.239。需要說明的是，C30-5、C50-5和A3(C105-4)的加載齡期和含鋼率并不完全一致。如果C105-4試件的加載齡期由52 d 改為75 d，則其徐變將隨著加載齡期的增大而減小；如果C105-4試件的含鋼率由12.0%改為15.9%，則其徐變將隨著含鋼率的增大而進一步減小。因此如果所有參數(shù)都一致，C105鋼管混凝土的徐變系數(shù)曲線與C30-5、C50-5的區(qū)別將會更加明顯。這主要是因為高強混凝土的配合比和普通混凝土相比存在明顯差異，高強混凝土的水灰比遠小于普通混凝土，導(dǎo)致其徐變偏小。

圖9 HS-CFST和N-CFST的徐變系數(shù)曲線對比Fig.9 Creep coefficient comparison of HS-CFST and N-CFST

表6 高強鋼管高強混凝土和普通鋼管混凝土試件設(shè)計參數(shù)Table 6 Parametersof HS-CFST and N-CFST specimens

5 結(jié)論

本文對高強鋼管高強混凝土的收縮和徐變展開了試驗研究，將試驗結(jié)果與現(xiàn)有的常用徐變預(yù)測模型MC90模型[27]，ACI209模型[23]和MC2010模型[28]的預(yù)測結(jié)果進行了對比，同時對比分析了高強鋼管高強混凝土和普通鋼管混凝土徐變系數(shù)的差異，研究結(jié)果表明：

(1)鋼管混凝土試件的收縮特性和素混凝土試件有明顯不同。素混凝土試件的收縮應(yīng)變遠大于鋼管混凝土試件的收縮應(yīng)變，在加載365 d 后，素混凝土的收縮約為鋼管混凝土的3倍。

(2)鋼管混凝土試件的徐變特性與普通混凝土試件有明顯不同。由于鋼管的密封和約束作用，鋼管混凝土的徐變遠遠小于普通混凝土試件的徐變，在加載365 d 后，普通混凝土的徐變系數(shù)是鋼管混凝土徐變系數(shù)的2倍以上。含鋼率對鋼管混凝土試件的徐變有一定的影響，徐變系數(shù)隨著含鋼率的增加而減小。

(3)將試驗結(jié)果與現(xiàn)有的常用徐變預(yù)測模型MC90模型，ACI209模型和MC2010模型的預(yù)測結(jié)果進行對比分析，結(jié)果表明無論是鋼管混凝土試件還是素混凝土試件，采用MC2010模型預(yù)測的徐變曲線與實測結(jié)果吻合最好，其次為MC90模型，ACI209模型的預(yù)測結(jié)果誤差最大。因此在工程設(shè)計中建議采用MC2010模型來預(yù)測素高強混凝土以及高強鋼管高強混凝土的收縮和徐變。

(4)進行了C30和C50普通鋼管混凝土試件的徐變試驗，并將其與C105高強鋼管混凝土試件的徐變結(jié)果進行了對比。結(jié)果表明，鋼管混凝土的徐變與混凝土的強度負(fù)相關(guān)，鋼管混凝土的徐變隨著混凝土強度的增加而減小，不同混凝土強度試件的實測徐變曲線存在明顯區(qū)別。這主要是因為，高強混凝土的配合比和普通混凝土相比存在明顯差異，高強混凝土的水灰比遠小于普通混凝土，導(dǎo)致其徐變偏小。