脫粘圓形鋼管混凝土拱肋的極限荷載試驗(yàn)研究

林春姣，鄭皆連，王楚杰，林春偉，趙軒毅

(1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院， 廣西南寧530004；2.工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西南寧530004；3.廣西工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西南寧530004；4.廣西建筑工程質(zhì)量檢測(cè)中心， 廣西南寧530011)

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脫粘圓形鋼管混凝土拱肋的極限荷載試驗(yàn)研究

林春姣1,2,3，鄭皆連1,2,3，王楚杰1，林春偉4，趙軒毅1

(1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院， 廣西南寧530004；2.工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西南寧530004；3.廣西工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西南寧530004；4.廣西建筑工程質(zhì)量檢測(cè)中心， 廣西南寧530011)

為了研究鋼管混凝土拱橋脫粘后的承載能力情況，將一根圓截面鋼管混凝土拱肋成型后置于實(shí)驗(yàn)室發(fā)生自然脫粘，對(duì)自然脫粘后的拱肋進(jìn)行了四分點(diǎn)處單點(diǎn)非對(duì)稱(chēng)加載至破壞的模型試驗(yàn)，采用數(shù)值方法和《鋼管混凝土拱橋技術(shù)規(guī)范》(GB50923-2013)等現(xiàn)行規(guī)范的方法分別分析了模型拱肋無(wú)脫粘時(shí)的極限荷載。試驗(yàn)獲得了加載過(guò)程脫粘鋼管混凝土拱肋模型的應(yīng)力、變形曲線及面內(nèi)極限荷載。結(jié)果顯示：鋼管混凝土模型拱肋在自然脫粘情況下，荷載—撓度曲線及荷載—應(yīng)變曲線仍表現(xiàn)出較大的延性，脫粘后其極限荷載實(shí)測(cè)值相比無(wú)脫粘時(shí)的有限元理論計(jì)算值略低10%，較按現(xiàn)行幾本規(guī)范方法的計(jì)算值均高40%左右。分析表明,自然脫粘后的鋼管混凝土拱肋在外荷載作用變形后仍受到約束，具有良好的彈塑性力學(xué)性能及承載能力。研究成果可為鋼管混凝土拱橋的進(jìn)一步研究提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并為同類(lèi)橋梁的發(fā)展提供參考。

橋梁工程；極限荷載；模型試驗(yàn)；鋼管混凝土拱肋；脫粘

0　引　言

鋼管混凝土由于存在套箍作用，有效提高了結(jié)構(gòu)的極限承載力[1-2]，各種研究成果也證實(shí)鋼管混凝土拱橋較高的承載能力[3-8]。然而，管內(nèi)混凝土隨時(shí)間產(chǎn)生的收縮徐變，極有可能導(dǎo)致鋼管混凝土拱肋產(chǎn)生混凝土與鋼管的脫粘[9-10]。鋼管混凝土拱肋的脫粘(也稱(chēng)脫空)，主要包括兩種情況：一種是混凝土本身填充密實(shí)，但是管內(nèi)混凝土隨著時(shí)間、溫度變化產(chǎn)生收縮徐變，使得混凝土與鋼管在交界面上發(fā)生了分離，這種分離一般在界面上只顯示出較小的縫隙；另一種是由于混凝土施工過(guò)程中灌注不夠飽滿(mǎn)，導(dǎo)致混凝土填充不夠密實(shí)產(chǎn)生空洞。目前，一些鋼管混凝土拱橋確實(shí)存在拱肋脫粘現(xiàn)象，這種現(xiàn)象引起了工程界的關(guān)注[11]。鋼管與混凝土的脫粘是否會(huì)影響到鋼管混凝土拱橋的承載力是主要關(guān)注焦點(diǎn)及研究?jī)?nèi)容。本文主要討論在混凝土收縮及溫度等作用下產(chǎn)生自然脫粘的鋼管混凝土拱肋面內(nèi)極限承載能力。

近年來(lái)報(bào)道了一些關(guān)于脫粘鋼管混凝土拱肋極限承載力的研究成果：文獻(xiàn)[12]認(rèn)為單圓管鋼管混凝土拱肋完全脫空時(shí)的面內(nèi)極限承載能力跟荷載作用形式有關(guān)，全跨均布荷載作用時(shí)承載力將降低10%左右，其他荷載作用時(shí)無(wú)明顯差別；文獻(xiàn)[13]認(rèn)為拱肋截面15%的脫空率將導(dǎo)致拱肋的極限承載能力降低10%左右；文獻(xiàn)[14-16]則認(rèn)為鋼管與混凝土的脫空對(duì)鋼管混凝土拱肋受力性能的影響較小，且不會(huì)降低結(jié)構(gòu)剛度，并有較好的彈塑性能和延性。各種研究成果主要通過(guò)數(shù)值分析計(jì)算獲得，部分研究進(jìn)行了構(gòu)件試驗(yàn)。但是數(shù)值計(jì)算中的模型簡(jiǎn)化往往難以模擬出鋼管和混凝土之間復(fù)雜的相互作用關(guān)系，構(gòu)件試驗(yàn)一方面無(wú)法形成鋼管混凝土拱肋自然脫粘的效果，另一方面也無(wú)法體現(xiàn)鋼管和混凝土處于脫粘時(shí)的拱肋結(jié)構(gòu)整體狀態(tài)。因此，進(jìn)行真實(shí)的自然脫粘狀態(tài)鋼管混凝土拱肋結(jié)構(gòu)試驗(yàn)成為研究其極限承載能力的有效手段。本文在前述研究基礎(chǔ)上，采用一根自然脫粘的圓形鋼管混凝土拱肋模型，完成脫粘拱肋的極限荷載試驗(yàn)，直接獲取脫粘鋼管混凝土拱肋結(jié)構(gòu)的極限荷載，并按照《鋼管混凝土拱橋技術(shù)規(guī)范》(GB50923-2013)等幾本現(xiàn)行規(guī)范的方法對(duì)模型拱肋進(jìn)行相關(guān)分析。

1　模型設(shè)計(jì)

試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑閱螆A管鋼管混凝土拱肋，拱軸線為圓弧線，計(jì)算跨徑10m，計(jì)算矢高1.25m，矢跨比為1/8。圓管截面的鋼管外徑325mm，鋼管壁厚6mm，管內(nèi)灌注C50混凝土[17-18]，具體模型結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

模型拱肋在拱腳截面處由兩個(gè)鋼箱包裹，箱內(nèi)灌混凝土的拱座，并在拱座底部將其錨在實(shí)驗(yàn)室的地錨槽內(nèi)，保證結(jié)構(gòu)不發(fā)生水平移動(dòng)。

(a) 加載裝置

(b) 測(cè)點(diǎn)布置

拱肋試件制作完成后，放置在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，未受其他荷載作用，任由拱肋結(jié)構(gòu)自然發(fā)生混凝土與鋼管的脫離。3年后，根據(jù)敲擊聲音判斷，拱肋已經(jīng)產(chǎn)生了一定程度的脫粘；至第5年，脫粘的聲像已經(jīng)非常顯著；至第6年，通過(guò)敲擊以及超聲波的方法對(duì)全拱肋各截面進(jìn)行了探測(cè)[19]，根據(jù)探測(cè)結(jié)果判斷拱肋的鋼管和混凝土界面已經(jīng)發(fā)生了大面積的脫離。模型拱肋脫粘的分布如圖2所示。經(jīng)過(guò)6年放置產(chǎn)生自然脫粘后，對(duì)該鋼管混凝土模型拱肋進(jìn)行了極限荷載試驗(yàn)。

(a) 立面脫粘位置示意圖

(b) 平面脫粘位置示意圖

2　試驗(yàn)過(guò)程

圖3　脫粘鋼管混凝土拱加載照片F(xiàn)ig.3　Loading photo of CFST arch rib with separation

3　試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)記錄結(jié)果，試驗(yàn)過(guò)程中拱腳未產(chǎn)生明顯的水平位移，拱頂截面處也未產(chǎn)生明顯的側(cè)向位移，模型拱肋試驗(yàn)可視為面內(nèi)受力。

3.1荷載—撓度曲線

本文實(shí)測(cè)的模型拱肋荷載一豎向撓度曲線見(jiàn)圖4。

圖4　脫粘鋼管混凝土拱肋荷載—撓度曲線

3.2荷載—應(yīng)變關(guān)系

圖5加載截面l4處鋼管表面a、b、c點(diǎn)荷載—應(yīng)變曲線

Fig.5Load-straincurvesofthesteeltublaronthel4sectionoftheCFSTarchribwithseparation

圖6跨中截面處鋼管表面a、b、c點(diǎn)應(yīng)變—荷載曲線

Fig.6Load-straincurvesofthesteeltublaratthemidspansectionoftheCFSTarchribwithseparation

3.3無(wú)脫粘模型鋼管混凝土拱肋數(shù)值分析

圖7　無(wú)脫粘模型拱肋加載截面處位移—荷載曲線Fig.7　Load-deflection curve of the steel tublar at the loading section of the CFST arch rib without separation

為了對(duì)比鋼管混凝土拱肋管內(nèi)混凝土與鋼管脫粘前后的受力性能，對(duì)本文試驗(yàn)?zāi)Ｐ凸袄哌M(jìn)行無(wú)脫粘、無(wú)其他外部缺陷情況下數(shù)值模擬分析。分析過(guò)程中，模型拱肋的結(jié)構(gòu)布置、材料取值、邊界條件等均按照試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃?jiǎn)化得到，但假設(shè)管內(nèi)混凝土與鋼管內(nèi)壁緊密貼合，二者之間粘結(jié)良好。

對(duì)無(wú)脫粘模型拱肋四分點(diǎn)處施加集中荷載并建模計(jì)算，進(jìn)行迭代運(yùn)算后可得到其破壞時(shí)的極限荷載、各個(gè)截面的位移數(shù)據(jù)、應(yīng)變數(shù)據(jù)等[18]。根據(jù)ANSYS計(jì)算結(jié)果，無(wú)脫粘拱肋模型最終極限承載力為720kN，加載點(diǎn)處的荷載—撓度曲線如圖7所示。

對(duì)比脫粘鋼管混凝土拱肋的試驗(yàn)結(jié)果及無(wú)脫粘拱肋的數(shù)值分析結(jié)果，若將文中模型拱肋產(chǎn)生脫粘后的極限荷載記為640kN，則脫粘后模型拱肋極限荷載的試驗(yàn)值為無(wú)脫粘拱肋極限荷載理論值的88%?？紤]到試驗(yàn)中模型拱肋的破壞主要是由于鋼管壁上混凝土灌注孔的焊縫開(kāi)裂而引起，結(jié)構(gòu)所施加的最大荷載值達(dá)660kN，因此若以660kN作為模型拱肋試驗(yàn)的極限荷載值，則脫粘鋼管混凝土拱肋極限荷載為無(wú)脫粘拱肋極限荷載的92%。因此，可以認(rèn)為本文脫粘拱肋的極限荷載較無(wú)脫粘情況下的降低值在10%以?xún)?nèi)。

在無(wú)脫粘拱肋的數(shù)值分析中(圖7)，同級(jí)荷載作用下結(jié)構(gòu)的豎向撓度大于試驗(yàn)中脫粘后模型拱肋的撓度。分析原因，由于鋼管與混凝土的相互作用對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及剛度均有提高作用，但在數(shù)值分析中難以模擬出該作用，從而使得計(jì)算結(jié)果中結(jié)構(gòu)撓度偏大。拱肋中混凝土與鋼管發(fā)生自然脫粘后，鋼管和混凝土界面之間的縫隙比較小，在結(jié)構(gòu)受荷發(fā)生變形后仍然能夠發(fā)生相互作用，從而在一定程度上提高強(qiáng)度和剛度。因此，僅從數(shù)值計(jì)算分析結(jié)果上看，可能與試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定的偏差。

4　分析與討論

目前，我國(guó)關(guān)于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析的參考依據(jù)主要有《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》(CECS28:90)、《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》(JCJ01-89)、《鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》(DL5099-97)以及《鋼管混凝土拱橋技術(shù)規(guī)范》(GB50923-2013)等幾本規(guī)程和規(guī)范，其中對(duì)各種荷載作用下的鋼管混凝土構(gòu)件極限承載力計(jì)算均有相關(guān)規(guī)定。根據(jù)上述規(guī)范對(duì)本文模型拱肋無(wú)脫粘、無(wú)其他外部缺陷時(shí)的極限荷載進(jìn)行計(jì)算，得到如表1所示結(jié)果。

表1　無(wú)脫粘鋼管混凝土模型拱肋的極限荷載計(jì)算Tab.1　Calculated ultimate load of the model CFST arch rib without separation

從表1的分析結(jié)果看到，根據(jù)目前四本規(guī)范的計(jì)算方法，本文鋼管混凝土模型拱肋在不發(fā)生脫粘的情況下，其極限荷載值最高為391.1kN，低于有限元分析的理論值。除此之外，本文試驗(yàn)中模型拱肋大節(jié)段自然脫粘后的試驗(yàn)實(shí)測(cè)值仍高于上述按照四本規(guī)范計(jì)算得到的極限荷載值40%左右。

產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因，初步分析有以下幾個(gè)方面：

一是各規(guī)范規(guī)程中的極限承載力計(jì)算值偏于保守。上述幾本規(guī)范中，除《鋼管混凝土拱橋技術(shù)規(guī)范》(GB50923-2013)外，其余幾本規(guī)范主要針對(duì)建筑上的鋼管混凝土柱，在偏壓計(jì)算中，均偏于保守。《鋼管混凝土拱橋技術(shù)規(guī)范》(GB50923-2013)實(shí)際上也借鑒了上述規(guī)范中對(duì)于偏壓結(jié)構(gòu)承載力計(jì)算中偏于保守的方面。因此根據(jù)上述規(guī)范得到的計(jì)算值偏小。

圖8　加載截面脫粘照片F(xiàn)ig.8　Separations between the concrete and steel tubular at the loading section

5　結(jié)　論

通過(guò)對(duì)文中自然脫粘鋼管混凝土拱肋極限荷載的分析及試驗(yàn)研究，得到如下研究結(jié)論：

①試驗(yàn)研究結(jié)果表明，鋼管混凝土模型拱肋根據(jù)規(guī)范正常施工，在自然狀態(tài)下產(chǎn)生鋼管和混凝土交界面上的脫粘后，四分之一截面處不對(duì)稱(chēng)加載時(shí)，在受力過(guò)程中其各截面變形仍然符合平截面假定，并仍然具有較好的彈塑性工作性能。

②無(wú)脫粘鋼管混凝土拱肋中，鋼管與混凝土的相互作用對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度具有提高作用；自然脫粘的拱肋在外荷載作用并發(fā)生變形后，鋼管與混凝土仍然發(fā)生相互約束作用，能夠保持較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度。

③依據(jù)現(xiàn)有《鋼管混凝土拱橋技術(shù)規(guī)范》(GB50923-2013)等規(guī)范，若本文中鋼管混凝土模型拱肋不產(chǎn)生脫粘，其極限荷載計(jì)算值最大僅為本文試驗(yàn)值的60%左右，即脫粘模型拱肋的試驗(yàn)值較現(xiàn)行規(guī)范法的無(wú)脫粘拱肋計(jì)算值高近40%。由此說(shuō)明，現(xiàn)行規(guī)范中鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的極限承載力具有較好的安全儲(chǔ)備。

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(責(zé)任編輯唐漢民梁健)

Experimental study on ultimate load of debonding CFST arch rib with circular cross-section

LIN Chun-jiao1,2,3, ZHENG Jie-lian1,2,3, WANG Chu-jie1, LIN Chun-wei4, ZHAO Xuan-yi1

(1.CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,GuangxiUniversity,Nanning530004，China;2.KeyLaboratoryofMinistryEducationofEngineeringDisasterPreventionandStructuralsafety,Nanning530004，China; 3.GuangxiKeyLaboratoryofDisasterPreventionandStructuralSafety,GuangxiUniversity,Nanning530004，China; 4.GuangxiConstructionTestingCenter,Nanning530011，China)

Inordertostudythebearingcapacityofconcrete-filledsteeltube(CFST)archwithinterfacedebonding,acircularcross-sectionCFSTarchribmodelwasmadetogenaratenaturaldebondingbetweenconcreteandsteeltubularinalaboratory,andthemodelwassubjectedtoconcentratedloadsatquarter-spanuntilfailure.AnultimateloadofCFSTarchribwithoutdebondingwasanalyzedbytheFiniteElementMethod(FEM)andtheTechnicalCodeforConcrete-filledSteelTubeArchBridges(GB50923-2013)andsomeotherspecifications.ThestressesanddeformationsoftheCFSTarchribstructurewereobtained.Curvesofload-deflectionandload-stressoftheCFSTarchribwithnaturaldebondingshowgoodelastic-plasticbehavior.TheultimateloadoftheCFSTarchribwithdebondingobtainedbytestsis10%lowerthanthatofthearchribwithoutdebondingobtainedbytheFiniteElementMethod,anditis40%higherthanthatofthearchribwithoutdebondingobtainedbythespecifications.ResearchresultssuggestthataCFSTarchribwithdebondingisstillconstrainedafteritsdeformationduetoexternalloads,andthearchribhasgoodmechanicalpropertiesandcarryingcapacity.ThestudyprovidestestdataforfurtherresearchandsupportstothebuildingofCFSTarchbridges.

bridgeengineering;ultimateload;modelexperiment;concrete-filledsteeltubular(CFST)archrib;debonding

2016-03-10；

2016-06-19

中國(guó)工程院咨詢(xún)項(xiàng)目(2016-XY-22);廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2013GXNSFAA019306)；廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)性研究項(xiàng)目(2013ZDX02)；廣西交通科技項(xiàng)目(20122635)

林春姣(1971—)，女，廣西富川人，廣西大學(xué)副教授，博士；E-mail：llccwj@163.com；鄭皆連(1941—)，男，四川內(nèi)江人，中國(guó)工程院院士，廣西大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師；E-mail：zhengjielian@163.com。

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1220

TU398；TU317+.1

A

1001-7445(2016)04-1220-08

引文格式：林春姣，鄭皆連，王楚杰,等.脫粘圓形鋼管混凝土拱肋的極限荷載試驗(yàn)研究[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，41(4)：1220-1227.