西北大溫差地區(qū)鋼管混凝土構(gòu)件溫度場(chǎng)及脫粘分析

祁 強(qiáng), 張思遠(yuǎn)

(1.平?jīng)雎殬I(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系, 甘肅 平?jīng)?744000; 2.廣州科技職業(yè)技術(shù)大學(xué), 廣州 510550)

近年來,鋼管混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用廣泛,服役地域緯度遼闊,其建筑結(jié)構(gòu)中以鋼管混凝土系桿拱橋最為常見,大跨度鋼管混凝土拱橋往往跨越高山峽谷、江河湖泊,以其造型美觀、場(chǎng)地適應(yīng)性好和優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn),在跨度橋梁設(shè)計(jì)中逐漸成為一種具有競(jìng)爭(zhēng)力的橋型設(shè)計(jì)方案。該橋型用途性質(zhì)所處地區(qū)年溫、日溫變化均較大,在某些特殊地區(qū),氣溫年變化幅度在40 ℃以上,氣溫日變幅在40 ℃以上。在實(shí)際工程應(yīng)用中,由于環(huán)境溫度沖擊循環(huán)等多重因素作用,鋼管混凝土界面存在脫粘現(xiàn)象,這將直接影響鋼管混凝土的工作性能和結(jié)構(gòu)安全。

系桿拱橋外部是靜定結(jié)構(gòu),內(nèi)部是超靜定結(jié)構(gòu)[1],溫度的變化使超靜定拱橋產(chǎn)生附加內(nèi)力和附加應(yīng)力[2],并使拱肋鋼管與核心混凝土發(fā)生脫粘,降低鋼管混凝土受力性能[3]。因此研究溫度作用下拱肋截面溫度場(chǎng)變化規(guī)律和拱肋與核心混凝土脫粘狀況是一個(gè)重要的課題[4]。在鋼管混凝土構(gòu)件溫度場(chǎng)研究方面,劉曉等[5]研究了高強(qiáng)鋼管混凝土的耐火極限;林春姣等[6]、王江龍和李揚(yáng)[7]應(yīng)用有限元對(duì)啞鈴型截面拱肋進(jìn)行了水化作用下鋼管混凝土構(gòu)件溫度場(chǎng)計(jì)算;周里鳴等[8]進(jìn)行了大型鋼管混凝土組合拱肋溫度場(chǎng)及效應(yīng)分析;林春姣等[9]將直徑為φ325 mm的拱肋模型置于室外,進(jìn)行了拱肋截面溫度場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn);Liu等[10]進(jìn)行了冷流作用下鋼管混凝土構(gòu)件截面溫度場(chǎng)分布規(guī)律分析;劉世忠等[11]研究了部分填充混凝土矩形鋼管組合桁梁橋沖擊系數(shù);佘宇豪等[12]研究了內(nèi)置GFRP(玻璃纖維增強(qiáng)塑料)管鋼管混凝土柱延性非線性分析;陳寶春和劉振宇[13]進(jìn)行了鋼管混凝土脫粘溫度場(chǎng)分析,結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù),探尋服役環(huán)境下鋼管混凝土界面結(jié)合狀態(tài),揭示鋼管混凝土界面脫粘機(jī)理,形成鋼管混凝土界面性能優(yōu)化理論和方法。

目前國內(nèi)對(duì)西北晝夜大溫差作用下鋼管混凝土構(gòu)件截面溫度場(chǎng)分布規(guī)律及鋼管與核心混凝土脫粘狀況研究較少。為此,本文對(duì)西北地區(qū)晝夜大溫差條件下鋼管混凝土構(gòu)件截面溫度場(chǎng)及鋼管與核心混凝土脫粘情況進(jìn)行實(shí)測(cè)試驗(yàn),通過定制加熱裝置、設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法實(shí)現(xiàn)溫度沖擊循環(huán)試驗(yàn)。對(duì)測(cè)試結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,以掌握在西北地區(qū)晝夜大溫差條件下截面溫度場(chǎng)分布規(guī)律和鋼管混凝土界面黏結(jié)狀態(tài)。以期為鋼管混凝土界面優(yōu)化以及確保惡劣環(huán)境下鋼管混凝土長期工作性能提供一定的理論和試驗(yàn)參考。

1 試驗(yàn)介紹

構(gòu)件采用長度為1 000 mm,直徑為630 mm,壁厚為11 mm的鋼管,內(nèi)填C50的混凝土。鋼管混凝土構(gòu)件中總共布置22個(gè)溫度測(cè)點(diǎn),構(gòu)件內(nèi)部布置18個(gè),為防止傳感器過密影響混凝土澆筑,內(nèi)部傳感器分兩層交錯(cuò)布置,第1層在距構(gòu)件底部600 mm處,第2層在距底部400 mm處,平均距構(gòu)件底部為500 mm。在構(gòu)件鋼管外壁距地面500 mm處沿圓周均勻布置4個(gè)溫度測(cè)試儀,測(cè)試鋼管壁溫度變化,從圓心到鋼管外表面為一個(gè)系列,總共有8個(gè)系列,每個(gè)系列上布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)(圓心處為公用測(cè)點(diǎn))。鋼管混凝土物件內(nèi)部測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。取同樣尺寸的素混凝土作為對(duì)照試驗(yàn),素混凝土總共布置9個(gè)溫度測(cè)點(diǎn),分為4個(gè)系列。素混凝土物件測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

1～18為測(cè)點(diǎn)編號(hào)

1～9為測(cè)點(diǎn)編號(hào)

構(gòu)件內(nèi)部采用T形熱電偶溫度探頭測(cè)量溫度,其被固定在鋼筋網(wǎng)架上,待鋼管內(nèi)混凝土澆筑到距下端400 mm時(shí)將第2層網(wǎng)架放入,再澆筑到600 mm時(shí)將第1層網(wǎng)架放入,然后澆筑完剩余混凝土,鋼管壁上采用溫度應(yīng)變計(jì)。待混凝土齡期為28 d時(shí),經(jīng)檢查鋼管與核心混凝土緊密貼合情況下將其置于大氣模擬箱中,采用溫度巡檢儀1次/6 min采集數(shù)據(jù)。大氣溫度模擬箱中的測(cè)試構(gòu)件如圖3所示。

圖3 大氣溫度模擬箱中的測(cè)試構(gòu)件

選取西北兩個(gè)地區(qū)(青海省西寧市、新疆烏魯木齊市)日平均氣溫分為12個(gè)時(shí)間段(12 h)在大氣模擬箱中模擬測(cè)試,分析典型測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律,統(tǒng)計(jì)兩地2022年和2023年7月份兩年的平均氣溫。兩個(gè)地區(qū)代表性平均溫度變化見表1。

表1 大氣溫度變化

2 構(gòu)件截面溫度場(chǎng)分析

圖4為西寧市素混凝土與鋼管混凝土構(gòu)件截面溫度變化曲線。

由圖4(a)可知,大氣溫度在第1～5 h上升時(shí),混凝土外表面溫度開始上升,混凝土1/2半徑處溫度和混凝土中心溫度也開始升高,但混前兩者溫度升高速度比混凝土中心要快。在第5 h時(shí),大氣溫度達(dá)到峰值16.5 ℃。此時(shí),素混凝土外表面(2、4、6、8測(cè)點(diǎn)處)溫度為4.475 ℃,是大氣溫度的0.27倍;素混凝土構(gòu)件1/2半徑所處圓周(1、3、5、7測(cè)點(diǎn)處)溫度為1.275 ℃,是大氣溫度的0.08倍;中心處(9測(cè)點(diǎn)處)溫度為0.6 ℃,是大氣溫度的0.036倍。從第5 h開始,大氣溫度開始下降,混凝土外邊緣溫度還在上升,但在第6 h后開始下降,混凝土1/2半徑所處圓周溫度和混凝土中心溫度仍然在上升。素混凝土中心處溫度在試驗(yàn)所選時(shí)間段最后第12 h時(shí)達(dá)到峰值4 ℃,是此時(shí)大氣溫度0.24倍。

從圖4(a)曲線整體走勢(shì)可看出,試驗(yàn)時(shí)間段內(nèi),素混凝土中心處溫度均為單調(diào)上升走向。大氣溫度上升時(shí)間段,曲線變化逐步加快;大氣溫度下降時(shí)間段,曲線變化逐步趨于平緩。曲線中素混凝土中心處溫度曲線更為平緩。混凝土升降溫相比大氣溫度具有滯后性,且同一個(gè)系列從外到里滯后性逐漸加強(qiáng)。

由圖4(b)可知,大氣溫度在第1～5 h上升,在第5 h大氣溫度達(dá)到峰值16.5 ℃。此時(shí),鋼管壁溫度為11.1 ℃,是大氣溫度的0.67倍;核心混凝土表面溫度為4.24 ℃,是大氣溫度的0.26倍;核心混凝土中心處溫度為0.5 ℃,是大氣溫度的0.03倍,其中鋼管壁導(dǎo)熱系數(shù)最大,溫度與大氣溫度最為接近。鋼管外壁和核心混凝土外邊緣溫度同大氣溫度趨勢(shì)相同,先逐漸上升再下降,因鋼管外壁導(dǎo)熱系數(shù)大于混凝土,其上升趨勢(shì)快于后者。核心混凝土1/2半徑圓周處溫度和核心混凝土中心溫度也開始逐步升高,因傳熱路徑較長,同一個(gè)系列上由外到內(nèi)溫度升高依次滯后。從第5 h開始,大氣溫度開始下降,由于溫度變化的滯后性,內(nèi)部溫度仍低于外部。因此,內(nèi)部還在接受外部各點(diǎn)的傳熱,溫度還處于上升之中。

鋼管混凝土構(gòu)件與素混凝土構(gòu)件相同測(cè)定處的溫度曲線走向趨勢(shì)接近,且數(shù)值也很接近,鋼管混凝土構(gòu)件核心混凝土表面溫度與素混凝土構(gòu)件表面溫度大致相等。從圖4中可以看出,鋼管壁的溫度曲線與大氣溫度曲線形狀和走勢(shì)最為接近,與素混凝土構(gòu)件表面相比,金屬材質(zhì)的鋼管壁溫度變化更加明顯。

圖5為烏魯木齊市素混凝土與鋼管混凝土構(gòu)件截面溫度變化曲線。由圖5(a)分析可得,在第5 h時(shí),大氣溫度達(dá)到峰值15 ℃。此時(shí),素混凝土表面溫度為11.75 ℃,是大氣溫度的0.77倍;中心處溫度為11.18 ℃,是大氣溫度的0.78倍。試驗(yàn)時(shí)間段內(nèi)素混凝土同一截面不同位置溫度倍數(shù)關(guān)系分析可得出,混凝土表面、素混凝土構(gòu)件1/2半徑所處圓周處和中心處溫度大致相等。從圖5(a)曲線整體走勢(shì)可知,大氣溫度曲線呈下降-上升-下降趨勢(shì),溫度變化區(qū)間為4.5～15 ℃,混凝土相比金屬材料鋼管壁導(dǎo)熱系數(shù)較小,對(duì)溫度敏感性差,使得混凝土構(gòu)件截面溫度變化程度較小,曲線相對(duì)趨于平緩,溫差在2 ℃內(nèi)。其中混凝土中心處溫度曲線最為穩(wěn)定。

圖5 烏魯木齊市素混凝土與鋼管混凝土構(gòu) 件截面溫度變化曲線

由圖5(b)分析可得,當(dāng)大氣溫度達(dá)到峰值15 ℃時(shí),鋼管壁溫度為15.12 ℃,是大氣溫度的1.01倍,兩者溫度較為接近,核心混凝土表面溫度為11.66 ℃,是大氣溫度的0.77倍,核心混凝土中心溫度為11.80 ℃,是大氣溫度的0.79倍。與素混凝土相比,核心混凝土與素混凝土表面溫度也近似相等。鋼管壁因金屬材質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)較大,溫度變化比混凝土溫度變化明顯。

3 鋼管混凝土脫粘分析

當(dāng)外界溫度升高較大時(shí),鋼管和混凝土都會(huì)發(fā)生熱脹現(xiàn)象,但是因?yàn)閮烧叩牟馁|(zhì)不同,鋼管壁的熱膨脹量大于管內(nèi)核心混凝土,導(dǎo)致兩者的熱膨脹量變化不同步而產(chǎn)生差值,當(dāng)差值足夠大時(shí),鋼管與混凝土就會(huì)發(fā)生脫粘現(xiàn)象。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,西寧市與烏魯木齊市兩地鋼管混凝土試件脫粘曲線如圖6所示。

圖6 烏魯木齊市與西寧市鋼管 混凝土構(gòu)件脫粘曲線

由圖6(a)可知,在整個(gè)試驗(yàn)過程中脫粘值均為負(fù)值,說明鋼管與核心混凝土未發(fā)生脫粘,且鋼管對(duì)核心混凝土的約束還有所加強(qiáng)。當(dāng)大氣溫度最高時(shí)(16.5 ℃),鋼管對(duì)混凝土的套箍作用達(dá)到最大。鋼管壁對(duì)核心混凝土的套箍作用隨模擬氣溫的變化呈先增大后減小的變化趨勢(shì)。

由圖6(b)分析可得,在試驗(yàn)過程中既有套箍作用階段也有脫粘階段。在大氣溫度為16.5 ℃時(shí),鋼管與核心混凝土之間脫粘程度達(dá)到最大值0.02 mm。大氣溫度從16.5 ℃下降到4.5 ℃時(shí),脫粘值也開始下降且降速較快,直到閉合。在大氣溫度為6.5 ℃時(shí),鋼管與混凝土之間脫粘值剛好為0,此后由于核心混凝土的收縮小于鋼管壁的收縮,故鋼管和混凝土之間的脫粘為負(fù)值,鋼管對(duì)混凝土有套箍作用,隨大氣溫度的下降套箍作用越來越明顯。

4 結(jié)論

選取新疆烏魯木齊市和青海西寧市兩個(gè)地區(qū)典型日平均溫度在大氣模擬箱中對(duì)鋼管混凝土構(gòu)件和素混凝土構(gòu)件進(jìn)行了構(gòu)件截面溫度場(chǎng)和鋼管與核心混凝土脫粘測(cè)試試驗(yàn),得出以下結(jié)論。

(1)大氣溫度作用下,鋼管混凝土構(gòu)件中鋼管外壁的溫度變化最明顯,與大氣溫度較接近。鋼管混凝土與素混凝土在同一個(gè)系列上,溫度變化規(guī)律基本相同,但最高溫度和最低溫度及其出現(xiàn)時(shí)間有所不同。

(2)大氣溫度作用下鋼管混凝土構(gòu)件和素混凝土構(gòu)件的截面溫度場(chǎng)為非均勻場(chǎng),從而產(chǎn)生溫差應(yīng)力。西寧市試驗(yàn)構(gòu)件在溫差反復(fù)作用下,鋼管與核心混凝土之間出現(xiàn)脫粘現(xiàn)象,削弱了鋼管對(duì)核心混凝土的套箍作用,嚴(yán)重影響了鋼管混凝土的承載能力。

(3)鋼材導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較大,在溫度沖擊過程中,鋼管壁和核心混凝土外表面存在一個(gè)溫度差,表明鋼管混凝土界面存在導(dǎo)熱滯后效應(yīng)。因而,需要考慮鋼管與混凝土界面的接觸熱阻的作用。

(4)當(dāng)大氣溫度從較高迅速遞減時(shí),鋼管對(duì)核心混凝土?xí)a(chǎn)生套箍作用,且隨溫度越低,鋼管的套箍作用越強(qiáng)。當(dāng)溫度先下降后上升時(shí),由于核心混凝土溫度變化的滯后性,可能會(huì)使鋼管對(duì)核心混凝土產(chǎn)生的套箍作用持續(xù)一段時(shí)間后再減弱。