圓端形鋼管混凝土塔柱受力特征實(shí)測分析★

李　彬　李　艷

(1．長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北武漢　430010;2．武漢交通職業(yè)學(xué)院，湖北武漢　430065)

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圓端形鋼管混凝土塔柱受力特征實(shí)測分析★

李彬1李艷2

(1．長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北武漢430010;2．武漢交通職業(yè)學(xué)院，湖北武漢430065)

摘要:介紹了某大型結(jié)構(gòu)的圓端形鋼管混凝土塔柱的實(shí)時應(yīng)力監(jiān)測方案，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，初步了解了圓端形鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)在整個施工過程中的受力狀態(tài)和受力特征，為今后形成圓端形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)依據(jù)。

關(guān)鍵詞:圓端形鋼管混凝土，應(yīng)力監(jiān)測，受力特征

0　引言

20世紀(jì)80年代后期，隨著先進(jìn)泵送混凝土工藝的發(fā)展，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)憑其諸多優(yōu)異性能在美國和澳大利亞等國悄然興起。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)在我國開發(fā)利用已長達(dá)40多年之久，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國采用鋼管混凝土技術(shù)的工程案例已達(dá)100多個［1-7］。比較常見的鋼管混凝土截面有圓形、方形和多邊形，圓端形鋼管混凝土截面的工程應(yīng)用目前非常少見，國內(nèi)外都缺乏有關(guān)這一新型結(jié)構(gòu)形式的相關(guān)設(shè)計(jì)依據(jù)。某大型橋梁結(jié)構(gòu)的塔柱采用圓端形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)形式，通過在塔柱截面的關(guān)鍵部位預(yù)埋傳感器監(jiān)測塔柱在各個施工階段的實(shí)時應(yīng)力。本文對塔柱在整個施工階段的實(shí)時應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了應(yīng)力變化趨勢分析，初步了解了圓端形鋼管混凝土這種新型結(jié)構(gòu)在施工階段的受力特征。

1　圓端形鋼管混凝土塔柱應(yīng)力監(jiān)測方案

某大型結(jié)構(gòu)的雙肢塔柱由兩根縱向相連的圓端形鋼管混凝土柱組成，兩個圓端形鋼管中間的連接桿尺寸為80 cm×60 cm× 50 cm，按1．50 m間距沿塔柱豎向布置，鋼管厚為2 cm，鋼管內(nèi)采用C50自密實(shí)微膨脹混凝土充實(shí)，圓端形塔柱橫截面形狀如圖1所示。

圖1　鋼管混凝土塔柱橫截面圖

在應(yīng)力監(jiān)測試驗(yàn)中常用的元器件有振弦式應(yīng)變計(jì)、差動式應(yīng)變計(jì)和電阻應(yīng)變計(jì)。圓端形鋼管混凝土塔柱的核心混凝土中采用結(jié)構(gòu)簡單、精度較高的振弦式應(yīng)變計(jì)，這種應(yīng)變計(jì)抗干擾能力強(qiáng)，測量效果理想。

1．1測點(diǎn)布置

圓端形鋼管混凝土塔柱具有雙軸對稱的橫截面形式，應(yīng)力傳感器采取對稱布置的原則，重點(diǎn)監(jiān)測直線段、圓弧最外段和二者結(jié)合處的應(yīng)力變化規(guī)律。核心混凝土內(nèi)部共布置36個振弦式應(yīng)變計(jì)，其中，底部截面(標(biāo)高+27．405)布置10個豎向應(yīng)力應(yīng)變計(jì)(BV0n，BV0ni)，重點(diǎn)監(jiān)測塔柱底部混凝土中的豎向應(yīng)力;中部截面的鋼管對混凝土具有較強(qiáng)的套箍作用，在中部截面(標(biāo)高+34．905)布置12個豎向應(yīng)力應(yīng)變計(jì)(MV0n，MV0ni)，4個縱向應(yīng)力應(yīng)變計(jì)(ML0n，ML0ni)，10個橫向應(yīng)力應(yīng)變計(jì)(MT0n，MT0ni)，具體位置如圖1所示。

1．2測試工況

鋼管混凝土主塔柱上部為斜拉索錨固區(qū)，施工時分為8個節(jié)段進(jìn)行分段施工，除第一節(jié)段高300 cm外，其余節(jié)段高度均為450 cm，此時鋼管混凝土塔柱為軸心受壓工況。斜拉索錨固區(qū)施工完畢后分6次沿主塔兩側(cè)對稱張拉掛索，此時鋼管混凝土塔柱承受不對稱的斜拉索拉力，為偏心受壓工況。測試工況見表1，1～8為軸心受壓工況，9～14為偏心受壓工況。

表1　測試工況

1．3應(yīng)變補(bǔ)償

應(yīng)力監(jiān)測值除包含荷載作用下的彈性應(yīng)變外，還受溫度、混凝土收縮、徐變等因素影響，通過埋設(shè)無應(yīng)力計(jì)，補(bǔ)償混凝土自由溫度應(yīng)變、自身的體積應(yīng)變和收縮應(yīng)變的影響。選用性能優(yōu)良的熱敏電阻作為測溫元件，測溫點(diǎn)設(shè)定在塔柱的應(yīng)力監(jiān)測截面上。

2　實(shí)時應(yīng)力分析

2．1混凝土豎向應(yīng)力

圓端形鋼管混凝土雙肢塔柱各測點(diǎn)14個施工工況的豎向應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)變化曲線(工況—應(yīng)力)如圖2和圖3所示，個別測點(diǎn)沒有存活。

圖2　底部截面核心混凝土豎向應(yīng)力變化曲線

圖3　中部截面核心混凝土豎向應(yīng)力變化曲線

2．1．1軸壓工況

在軸壓工況下，核心混凝土豎向壓應(yīng)力呈線性增加的趨勢，第8工況軸向壓力達(dá)到最大。而第6～第8工況大部分測點(diǎn)的應(yīng)力增長速度小于1～5工況，分析其主要原因是在受力初期鋼管內(nèi)部的混凝土處于自由應(yīng)變狀態(tài)，隨著外部荷載增大，鋼管的套箍效應(yīng)開始發(fā)揮，使內(nèi)部混凝土逐漸處于三向受壓應(yīng)力狀態(tài)。由圖2可見，各測點(diǎn)的豎向應(yīng)力差別較小，直線段中點(diǎn)(02，02i，03，03i)的豎向應(yīng)力相對最大，其次是圓弧段和直線段連接處(01，01i，04，04i)，圓弧段最外端(05，05i)的豎向應(yīng)力相對最小。

2．1．2偏壓工況

偏壓工況時，斜拉索索力沿i側(cè)的分力小于另一側(cè)，因此i側(cè)的豎向應(yīng)力明顯小。圓弧段外端(BV05)的豎向壓應(yīng)力增大的速度最快，第14工況時達(dá)到20．2 MPa。但實(shí)時監(jiān)測的最大應(yīng)力值遠(yuǎn)小于C50核心混凝土的抗壓強(qiáng)度(混凝土在3 d抗壓強(qiáng)度不小于40 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度不小于60 MPa)?？梢?，鋼管混凝土塔柱施工完成時，核心混凝土仍處于彈性受力狀態(tài)。

2．2混凝土順橋向和橫橋向應(yīng)力

圖4　中部截面核心混凝土橫橋向和順橋向應(yīng)力變化曲線

圓端形鋼管混凝土雙肢塔柱應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)變化曲線(工況—應(yīng)力)如圖4所示，壓應(yīng)力值呈緩慢增大的趨勢，且偏壓工況下壓應(yīng)力值增大速度加快，表明隨著豎向應(yīng)力增大，核心混凝土逐漸表現(xiàn)出三向受壓狀態(tài)，鋼管對混凝土具有套箍效應(yīng)。但在整個施工階段實(shí)時監(jiān)測的壓應(yīng)力值都很小，可見，成橋時鋼管對核心混凝土的套箍效應(yīng)還不明顯，核心混凝土的壓應(yīng)力安全儲備高。

3　結(jié)語

實(shí)時應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果表明，在整個施工階段，鋼管混凝土塔柱承受的自重及施工相關(guān)荷載相對其設(shè)計(jì)極限荷載而言仍較小，該大型橋梁結(jié)構(gòu)的圓端形鋼管混凝土塔柱鋼管與混凝土的相互作用在施工階段不明顯，鋼管對混凝土的套箍效應(yīng)還沒有充分發(fā)揮。本文對圓端形塔柱受力特征的研究局限于施工階段，進(jìn)一步的研究工作有待于持續(xù)監(jiān)測結(jié)構(gòu)在正常使用過程中的實(shí)時應(yīng)力，后續(xù)研究對圓端形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工都具有重要的指導(dǎo)意義。

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A measured study of mechanical characteristics of round-ended Concrete Filled Steel Tube tower columns★

Li Bin1Li Yan2
(1．Changjiang Institute of Survey，Planning，Design and Research Co．，Ltd，Wuhan 430010，China; 2．Wuhan Technical College of Communications，Wuhan 430065，China)

Abstract:The paper introduced the real-time stresses monitoring scheme of round-ended Concrete Filled Steel Tube(CFST)tower columns of a large-scale structure．The real-time stress monitoring data was analyzed so as to find force state and force characteristics of this new structure of round-ended CFST during the construction phase．This study provided basic information for further formation of round-ended CFST design theory in future．

Key words:round-ended Concrete Filled Steel Tube，stress monitoring，force characteristics

作者簡介:李彬(1981-)，男，工程師;李艷(1983-)，女，講師

收稿日期:2015-10-27★:湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(項(xiàng)目編號:B2014205)

文章編號:1009-6825(2016)01-0040-02

中圖分類號:TU311

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A