不同鋼內(nèi)襯加固鋼筋混凝土管涵力學(xué)特性試驗(yàn)研究

(華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院,廣東 廣州 510641)

公路改擴(kuò)建中，運(yùn)營(yíng)多年的鋼筋混凝土圓管涵往往需要采取加固措施以提高承載力，相比于拆除重建舊涵，內(nèi)襯加固技術(shù)是一種綠色環(huán)保的加固技術(shù)，在舊涵內(nèi)部?jī)?nèi)襯一個(gè)較小的新管，在新管與舊管之間灌注混凝土使之聯(lián)成整體，達(dá)到補(bǔ)強(qiáng)加固的目的。由于內(nèi)襯加固技術(shù)不需要拆除舊涵，不僅不會(huì)中斷交通，也節(jié)省了投資、加快了工期，避免了拆除舊涵產(chǎn)生的固體垃圾及堆放問(wèn)題，在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。

目前，國(guó)外采用兩點(diǎn)加載試驗(yàn)或填土加載試驗(yàn)對(duì)高密度聚乙烯波紋管(HDPE)內(nèi)襯加固鋼筋混凝土管涵、波紋鋼管涵、地下鑄鐵管的加固效果，荷載在HDPE加固管中的分配機(jī)理等進(jìn)行了較深入的研究[1-4]，但未見(jiàn)鋼內(nèi)襯加固鋼筋混凝土管涵的相關(guān)研究，力學(xué)機(jī)理也不得而知。而國(guó)內(nèi)波紋鋼內(nèi)襯加固既有涵洞技術(shù)主要處于工程應(yīng)用階段[5-6]，尚未進(jìn)入理論研究階段。因此，國(guó)內(nèi)外針對(duì)鋼內(nèi)襯加固既有鋼筋混凝土管涵的加固效果、加固機(jī)理的試驗(yàn)研究幾乎空白，為推動(dòng)波紋鋼內(nèi)襯加固涵洞技術(shù)的發(fā)展，本文通過(guò)兩點(diǎn)加載試驗(yàn)，研究不同鋼內(nèi)襯加固既有鋼筋混凝土管涵的加固效果與荷載在圓鋼管加固體系中的傳力機(jī)理，揭示其力學(xué)特性。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)及材料參數(shù)

試驗(yàn)中共設(shè)計(jì)了3個(gè)管體，包括：1個(gè)鋼筋混凝土圓管、1個(gè)10 mm平鋼管內(nèi)襯加固管、1個(gè)波紋鋼管內(nèi)襯加固管，編號(hào)分別為RCP(Reinforced Concrete Pipe)、RRCP1(Rehabilitated Reinforced Concrete Pipe 1)，RRCP2(Rehabilitated Reinforced Concrete Pipe 2)，其中2個(gè)內(nèi)襯加固管的主管均為與未加固管RCP一樣的鋼筋混凝土圓管。

未加固管RCP內(nèi)直徑為1 200 mm，厚度為120 mm，管長(zhǎng)1 000 mm，鋼筋采用雙層布筋設(shè)計(jì)，管壁內(nèi)外雙層配置直徑6 mm的HRB400冷拉鋼筋，間距50 mm，保護(hù)層厚度12 mm，管涵端部50 mm范圍內(nèi)設(shè)置3圈直徑6 mm的端部加強(qiáng)筋。沿管長(zhǎng)方向，在環(huán)向16分點(diǎn)，內(nèi)外層鋼筋位置設(shè)置直徑6 mm的HRB400冷拉分布鋼筋，鋼筋平均極限抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)值為575 MPa，伸長(zhǎng)率試驗(yàn)值為17.78%。

內(nèi)襯平鋼管板厚10 mm，內(nèi)直徑1100 mm，管長(zhǎng)1000 mm，材質(zhì)Q235鋼。

內(nèi)襯波紋鋼管的波紋鋼截面壁厚為3 mm，波距200 mm，波高55 mm，內(nèi)直徑1 000 mm，管長(zhǎng)1 000 mm，波紋鋼管為整管，材質(zhì)Q235鋼。

采用直接加固方式對(duì)RCP主管進(jìn)行加固，內(nèi)襯加固管涵的制作工序包括以下步驟：所有RCP主管在預(yù)制廠(chǎng)預(yù)制；內(nèi)襯管豎立同心安放在主管內(nèi)；在主管和內(nèi)襯管空隙間澆筑振搗C40細(xì)石混凝土，加固管養(yǎng)護(hù)28 d后，即可進(jìn)行壓載試驗(yàn)，各試件材料參數(shù)與截面性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 試件材料參數(shù)與截面性質(zhì)Table1 Materialparametersandsectionpropertiesofspecimens試件壁厚/mm截面面積/(mm2·mm-1)截面慣性矩/(mm4·mm-1)彈性模量/MPa抗壓強(qiáng)度/MPaRCP1201201559023600059.73RRCP1內(nèi)填砼404053333450049.93RRCP2內(nèi)填砼72.572.5467943450049.93平鋼管101083206000/波紋鋼33.031152.59206000/ 注:RRCP2內(nèi)填砼壁厚和截面面積為平均值,混凝土抗壓強(qiáng)度為試驗(yàn)當(dāng)天實(shí)測(cè)值,彈性模量由混凝土抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)值按《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50152—2012)[7]計(jì)算得到,所有混凝土層抗彎慣性矩為初始截面慣性矩,即混凝土截面未開(kāi)裂時(shí)的慣性矩。

1.2 試驗(yàn)加載方案與測(cè)點(diǎn)布置

鋼筋混凝土管、鋼內(nèi)襯加固鋼筋混凝土管兩點(diǎn)加載試驗(yàn)在華南理工大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。加載設(shè)備主要由反力架、液壓式千斤頂(最大量程為2000 kN)、加載墊板，分配梁組成。分配梁和管頂接觸部分為圓弧，圓弧長(zhǎng)度為250 mm，分配梁長(zhǎng)度為1 200 mm，管底采用和管頂相同的接觸圓弧鋼墊板。正式加載時(shí)采用力加載控制，采用緩慢平穩(wěn)的持續(xù)加載方式，直至試件達(dá)到極限破壞。試驗(yàn)荷載由力傳感器測(cè)量，混凝土應(yīng)變片采用BQ120—60AA電阻型應(yīng)變片，鋼應(yīng)變片采用BE120—3AA電阻型應(yīng)變片，各管位移由位移計(jì)測(cè)量，采用DH3816N靜態(tài)應(yīng)力測(cè)試分析系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)全過(guò)程的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，各管的加載裝置見(jiàn)圖1。

(a)RCP

(b)RRCP1

(c)RRCP2

圖1 加載裝置

Figure 1 Loading setup

試驗(yàn)測(cè)量的主要內(nèi)容有：荷載、圓管豎向內(nèi)直徑變形值(管內(nèi)兩個(gè)豎向位移計(jì)相對(duì)差值)、圓管水平外直徑變形值(管外兩個(gè)水平位移計(jì)相對(duì)差值)、鋼筋混凝土層內(nèi)外環(huán)向8分點(diǎn)應(yīng)變、波紋鋼管環(huán)向8分點(diǎn)波峰，波谷應(yīng)變、平鋼管內(nèi)表面環(huán)向8分點(diǎn)應(yīng)變等，管測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖2。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置(單位：mm)Figure 2 Distributions of measurement points(Unit：mm)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 荷載—直徑變化值曲線(xiàn)分析

RCP、RRCP1、RRCP2試件的荷載—直徑變化值曲線(xiàn)如圖3所示，其中荷載為兩點(diǎn)加載測(cè)試中力傳感器的實(shí)時(shí)讀數(shù)。各管試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象，從圖3和表2可以看出：

a.加固管RRCP1，RRCP2相比未加固管RCP，其極限承載力分別提高22%、240%，其初始剛度分別提高73%、222%，這說(shuō)明鋼內(nèi)襯提高了鋼筋混凝土管涵的承載能力與剛度，并且波紋鋼管內(nèi)襯比平鋼管內(nèi)襯更具加固優(yōu)勢(shì)。

圖3 試件兩點(diǎn)加載荷載 — 直徑變化值曲線(xiàn)Figure 3 Applied load versus diameter change for specimens on two-point loading tests

表2 試驗(yàn)結(jié)果Table2 Summaryoftestresults試件編號(hào)Pu/kN初始剛度/(kN·mm-1)Δv/mmΔh/mm(Δv+Δh)max1/mm(Δv+Δh)max2/mmRCP281137.051.3-41.010.412.2RRCP1344236.543.5-43.81.0-8.5RRCP2969441.219.9-19.61.03.5 注:初始剛度按荷載—直徑變化曲線(xiàn)初始直線(xiàn)上升段的斜率計(jì)算;Pu試件極限承載力;Δv、Δh為極限荷載對(duì)應(yīng)的豎向直徑變化值和水平直徑變化值;(Δv+Δh)max1、(Δv+Δh)max2為極限荷載前后試件豎向直徑變化值與水平直徑變化值最大差值。

b.極限荷載下，波紋鋼管內(nèi)襯圓管豎向和水平直徑變化值,與不加固的圓管相比，分別減小61%、52%，而10 mm平鋼管內(nèi)襯圓管極限荷載下的直徑變化值相比不加固的圓管變化不大，這說(shuō)明波紋鋼管內(nèi)襯能有效抑制主管的變形。

c.在兩點(diǎn)加載下，加載點(diǎn)位置的鋼筋混凝土管會(huì)發(fā)生剪切破壞，產(chǎn)生剪切變形，這增大了管涵的豎向變形，所以鋼筋混凝土圓管的豎向變形要大于水平變形，10 mm平鋼管內(nèi)襯加固管在極限破壞后，管外水平變形比管內(nèi)豎向變形最大增加8.5 mm，這說(shuō)明內(nèi)襯平鋼管所受荷載較小，而波紋鋼管內(nèi)襯加固管的豎向與水平變形基本協(xié)調(diào)，這說(shuō)明波紋鋼管內(nèi)襯抑制了加載點(diǎn)的剪切破壞，減小了剪切變形。

d.10 mm平鋼管內(nèi)襯加固管與不加固的圓管的受力過(guò)程基本相似，試件在管內(nèi)鋼筋屈服之后基本上達(dá)到了其極限承載能力，其變形發(fā)展較長(zhǎng)，破壞前有明顯征兆。而波紋鋼管內(nèi)襯圓管的受力過(guò)程則明顯不同，在試件達(dá)到極限承載力之前，試件的承載能力經(jīng)歷了一個(gè)較長(zhǎng)的發(fā)展過(guò)程，其變形發(fā)展較短，最后突然破壞，發(fā)出巨大聲響。這說(shuō)明波紋鋼管內(nèi)襯改變了鋼筋混凝土圓管的破壞形態(tài)，由延性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈云茐摹?/p>

e.各試件從開(kāi)始加載至極限破壞可以歸納為4個(gè)階段，①為試件截面混凝土開(kāi)裂前的未裂階段，此階段荷載—直徑變化值關(guān)系為直線(xiàn)變化；②為試件截面混凝土開(kāi)裂后至鋼筋屈服前的裂縫階段，此階段試件截面剛度下降，荷載—直徑變化值增長(zhǎng)速率加快；③為鋼筋開(kāi)始屈服至截面破壞的塑性階段，此階段荷載—相對(duì)位移曲線(xiàn)呈水平趨勢(shì)發(fā)展，截面受拉鋼筋開(kāi)始屈服直至拉斷，截面發(fā)生破壞，試件達(dá)到極限承載力；④為下降階段，此階段試件截面變形仍在持續(xù)，而試件截面承載能力下降。

2.2 傳力機(jī)理分析

為分析試件從開(kāi)始加載至極限破壞時(shí)，荷載在鋼筋混凝土圓管—內(nèi)襯混凝土—內(nèi)襯圓鋼管加固體系中的傳力機(jī)理，取各試件管頂A截面，管水平位置G截面在截面混凝土開(kāi)裂前、開(kāi)裂時(shí)、截面受拉鋼筋屈服、截面達(dá)到極限承載力時(shí)4個(gè)階段的截面應(yīng)變分布進(jìn)行分析，分別如圖4、圖5所示。

從圖4和圖5可以看出：

a.加固管RRCP1在各階段的截面應(yīng)變沿截面高度的分布不在同一直線(xiàn)上，這說(shuō)明鋼筋混凝土—內(nèi)填混凝土—內(nèi)襯平鋼管三層之間沒(méi)有完全粘結(jié)。管頂A截面承受正彎矩，從開(kāi)始加載至極限破壞，平鋼管內(nèi)表面所受拉應(yīng)變均小于鋼筋混凝土層內(nèi)表面所受拉應(yīng)變，這說(shuō)明平鋼管外表面與內(nèi)填混凝土層內(nèi)表面之間存在較大滑移，在內(nèi)填混凝土層開(kāi)裂之后，RRCP1管頂截面破壞特征與RCP管頂截面相似，管頂正彎矩荷載主要由鋼筋混凝土層承擔(dān)。而對(duì)于承受壓力和負(fù)彎矩的G截面，從開(kāi)裂至極限破壞，平鋼管內(nèi)表面所受壓應(yīng)變均小于鋼筋混凝土層內(nèi)表面所受壓應(yīng)變，并且由于10 mm平鋼板的抗彎剛度極小，在承受較小的負(fù)彎矩時(shí)，平鋼板的曲率就很大，導(dǎo)致其與內(nèi)填混凝土層之間存在較大滑移，因此，極限狀態(tài)時(shí)，G截面的負(fù)彎矩主要由鋼筋混凝土層承擔(dān)，最終導(dǎo)致加固管RRCP1的受力過(guò)程與未加固管RCP相似，綜上所述，對(duì)于10 mm平鋼管內(nèi)襯圓管其荷載主要由鋼筋混凝土管承擔(dān)，內(nèi)填混凝土次之，內(nèi)襯平鋼管承擔(dān)荷載的作用較小。

圖4 各試件A截面各階段截面應(yīng)變分布(單位：με)Figure 4 Distributions of circumferential strains at A section for specimens at all stages(Unit：με)

圖5 各試件G截面各階段截面應(yīng)變分布(單位：με)Figure 5 Distributions of circumferential strains at G section for specimens at all stages(Unit：με)

b.加固管RRCP2在各階段的截面應(yīng)變沿截面高度的分布不在同一直線(xiàn)上，這說(shuō)明鋼筋混凝土—內(nèi)填混凝土—內(nèi)襯波紋鋼管三層之間沒(méi)有完全粘結(jié)。開(kāi)裂前，承受正彎矩的管頂A截面和承受壓力和負(fù)彎矩的水平G截面的鋼筋混凝土截面與波紋鋼截面曲率近似相等，彎曲變形較為協(xié)調(diào)。管頂A截面在鋼筋混凝土層內(nèi)表面混凝土開(kāi)裂之后，波紋鋼截面波谷所受拉應(yīng)變要大于波峰所受壓應(yīng)變，波紋鋼除承受正彎矩之外，還承受一定的拉力，從而說(shuō)明鋼筋混凝土—內(nèi)填混凝土—內(nèi)襯波紋鋼管所組成的截面為部分組合截面，介于組合截面與非組合截面之間，管水平位置G截面承受負(fù)彎矩，在外層受拉鋼筋屈服后，整個(gè)鋼筋混凝土層承受拉應(yīng)變，波紋鋼截面波谷所受壓應(yīng)變要大于波峰所受拉應(yīng)變，波紋鋼截面除承受負(fù)彎矩之外，還承受一定的壓力，外層鋼筋混凝土和內(nèi)襯混凝土環(huán)提高了水平截面位置波紋鋼承受壓彎荷載時(shí)的穩(wěn)定性，使波紋鋼的強(qiáng)度得以充分發(fā)揮而不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，其受力要明顯優(yōu)于單純的鋼筋混凝土管，從而導(dǎo)致加固管RRCP2的極限承載力要比未加固管RCP提高240%。

2.3 試件極限破壞形態(tài)

圖6、圖7、圖8分別為未加固管RCP、加固管RRCP1、RRCP2的極限破壞整體形態(tài)，圖9為部分試件的局部破壞形態(tài)。試件具體破壞現(xiàn)象描述如下：

a.未加固管RCP破壞時(shí)，管頂、管底內(nèi)表面、管兩側(cè)外表面均出現(xiàn)主拉裂縫，試件加載時(shí)，在管兩側(cè)出現(xiàn)裂縫后，管體變形持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，直至管兩側(cè)出現(xiàn)較寬的主拉裂縫，管水平兩側(cè)截面發(fā)生彎曲破壞。

b.加固管RRCP1破壞時(shí)，管頂、管底內(nèi)填混凝土內(nèi)表面出現(xiàn)主拉裂縫，內(nèi)填混凝土內(nèi)表面與內(nèi)襯圓鋼管外表面出現(xiàn)明顯滑移，試件破壞過(guò)程與RCP相似。

(a) 管北側(cè)裂縫分布

(b) 管南側(cè)裂縫分布

(c) 管底主拉裂縫

(d) 管頂主拉裂縫圖6 未加固管RCP極限破壞整體形態(tài)

Figure 6 Ultimate global failure patterns of unrehabilitated pipe RCP

(a) 管北側(cè)裂縫分布

(b) 管南側(cè)裂縫分布

(c) 管西側(cè)裂縫

(d) 管東側(cè)裂縫圖7 加固管RRCP1極限破壞整體形態(tài)Figure 7 Ultimate global failure patterns of rehabilitated pipe RRCP1

(a) 管北側(cè)裂縫分布

(b) 管南側(cè)裂縫分

(c) 管西側(cè)裂縫

(d) 管東側(cè)裂縫圖8 加固管RRCP2極限破壞整體形態(tài)Figure 8 Ultimate global failure patterns of rehabilitated pipe RRCP2

圖9 試件局部破壞形態(tài)

Figure 9 Local failure patterns of specimens

c.加固管RRCP2破壞時(shí)，管兩側(cè)外表面均出現(xiàn)主拉裂縫，管兩側(cè)水平位置的鋼筋混凝土層與內(nèi)填混凝土層被拉開(kāi)，外層鋼筋被拉斷。這再次說(shuō)明鋼筋混凝土—內(nèi)填混凝土—內(nèi)襯波紋鋼管截面的組合受力效果明顯優(yōu)于鋼筋混凝土—內(nèi)填混凝土—內(nèi)襯平鋼管截面。

3 結(jié)論與展望

本文基于內(nèi)襯圓鋼管加固鋼筋混凝土圓管涵前后的兩點(diǎn)加載對(duì)比試驗(yàn)分析，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

a.在加固管混凝土開(kāi)裂至試件達(dá)到極限承載力的各個(gè)工作階段，波紋鋼管內(nèi)襯加固既有鋼筋混凝土圓管所形成的鋼筋混凝土—內(nèi)填混凝土—內(nèi)襯波紋鋼管截面為部分組合截面，力學(xué)性能介于完全粘結(jié)與完全滑移的組合管之間，平鋼管內(nèi)襯加固既有鋼筋混凝土圓管所形成的鋼筋混凝土—內(nèi)填混凝土—內(nèi)襯平鋼管截面接近非組合截面，平鋼管外側(cè)與內(nèi)填混凝土內(nèi)側(cè)接近完全滑移，采用直接加固方式時(shí)，形成的波紋鋼管內(nèi)襯加固圓管和平鋼管內(nèi)襯加固圓管的極限承載力要比未加固圓管的極限承載力分別提高240%和22%。

b.波紋鋼管內(nèi)襯加固管屈服之后，其承載能力經(jīng)歷了一個(gè)很長(zhǎng)的提高過(guò)程，變形過(guò)程相對(duì)較短，構(gòu)件發(fā)生脆性破壞。

c.在兩點(diǎn)荷載作用下，波紋鋼管內(nèi)襯加固管管頂、管底波紋鋼截面比管水平位置截面更早形成塑性鉸，波紋鋼管在鋼筋混凝土層和內(nèi)填混凝土層的環(huán)向約束下，能充分發(fā)揮鋼材的拉壓性能而不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)。

d.平鋼管內(nèi)襯加固管的破壞過(guò)程與鋼筋混凝土管相似，平鋼管不能充分發(fā)揮其高強(qiáng)的抗拉壓性能優(yōu)勢(shì)，其加固效果不明顯。

試驗(yàn)研究了鋼內(nèi)襯加固鋼筋混凝土管的力學(xué)特性，但鋼內(nèi)襯加固管的承載能力計(jì)算理論還需要進(jìn)一步研究，這是后續(xù)研究應(yīng)該解決的重點(diǎn)問(wèn)題。