徐變對圓鋼管高性能混凝土軸壓短柱極限承載力的影響

1、徐變對圓鋼管高性能混凝土軸壓短柱極限承載力的影響王慶賀 土木學院指導教師：張素梅一、課題研究目的徐變是混凝土材料在長期荷載作用下的一種變形性能. 所謂徐變,即在長期荷載作用下混凝土構(gòu)件的應變增量, 混凝土再外荷載作用下立即產(chǎn)生瞬時彈性變形,當荷載穩(wěn)定下來以后,該混凝土構(gòu)件即開始徐變變形.混凝土徐變可以持續(xù)非常長的時間.隨著橋梁跨徑的增大，由拱肋核心混凝土的徐變引起的結(jié)構(gòu)撓度變化、拱肋截面應力重分布、體系轉(zhuǎn)換后的內(nèi)力重分布等問題日益突出，將對拱軸線線型、拱的穩(wěn)定性及施工監(jiān)控產(chǎn)生較大影響。而目前國內(nèi)外學者對于鋼管混凝土構(gòu)件的徐變性能的認識尚存在分歧，各國規(guī)范對于該問題的處理亦存在較大差異。本項目將

2、針對鋼管混凝土拱橋中普遍采用的高流態(tài),微膨脹的高性能混凝土，研究其徐變對鋼管混凝土構(gòu)件截面極限承載力等靜力性能的影響，本項目的實施將為已建鋼管混凝土拱橋的長期工作性能評價提供理論依據(jù)，并進一步完善鋼管混凝土拱橋的設計理論與設計方法，使鋼管混凝土拱橋這一具有中國特色的橋型在發(fā)展時不具盲目性，對鋼管混凝土在拱橋中的推廣、應用具有重要理論意義與實用價值。二、課題背景鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在長期荷載作用下，由于混凝土受壓發(fā)生徐變，鋼筋和混凝土之間將出現(xiàn)內(nèi)力重分布現(xiàn)象.對于鋼管混凝土構(gòu)件，同樣存在類似問題.不過由于鋼管混凝土構(gòu)件中，鋼管和核心混凝土都處于三向應力狀態(tài)，因而混凝土徐變而引起的內(nèi)力重分布就更為復雜.

3、國內(nèi)外學者已對矩形鋼管混凝土柱和圓鋼管混凝土柱進行研究，例如：韓林海、 楊有福、劉威等（2004）1進行了長期荷載作用對矩形鋼管混凝土軸壓柱力學性能的影響研究.韓林海等（2001）23進行了方鋼管混凝土構(gòu)件的理論分析與試驗研究. 原哈爾濱建筑工程學院（現(xiàn)哈爾濱工業(yè)大學）鐘善桐等于1978年進行過一次試探性試驗，于19831984年間進行了較大規(guī)模的圓鋼管混凝土軸壓及偏壓短柱的徐變試驗，其中軸壓構(gòu)件24個，偏壓構(gòu)件16個。對含鋼率、軸壓比、偏心率及齡期等影響鋼管混凝土構(gòu)件徐變變形的主要因素進行了實驗研究，分析了徐變對鋼管混凝土軸壓構(gòu)件極限承載力的影響。鋼管混凝土構(gòu)件的核心混凝土為干硬性混凝土，水

4、灰比在0.40.45之間。本項目擬通過試驗研究和理論分析，重點研究徐變對圓鋼管高性能混凝土軸壓短柱極限承載力的影響.三、課題研究主要內(nèi)容1、試驗研究1.1試驗概況 共設計了10個圓形鋼管混凝土試件，其中的6個試件進行了長期荷載作用的變形測試和承載力試驗，另外4個為對比試件，只進行一次加載試驗.混凝土采用人工拌和，澆筑時將鋼管豎立放置，從頂部灌進混凝土，同時用插入式振搗棒振搗直至密實. 由于本試驗是研究高性能混凝土,因而原材料與普通混凝土有所不同 ，所用材料如表1所示. 表1 混凝土的配合比（kg/m3）水水泥粉煤灰VEA膨脹劑減水劑引氣劑沙石189.6470.0 43.0 57.07.930.

5、228684.6 1013.0 1.2極限承載力試驗1.2.1 試件設計 綜合考慮到試件持荷及加載時的穩(wěn)定性和端部的摩擦約束，將試件的長細比定為L/D=34。為了研究長期荷載對軸壓構(gòu)件極限承載力的影響,在進行了約5個月的長期加載試驗后，對試件進行了一次壓縮試驗。同時進行一次壓縮試驗的還有同批澆注的未進行長期加載的4個對比試件。極限承載力試驗時，混凝土的齡期為158天。在極限承載力加載時，測量了標準養(yǎng)護后的同齡期混凝土立方體試塊強度，試塊為150mm標準立方體，平均強度為58.7MPa，換算為軸心抗壓強度為fct=42.83MPa。試件參數(shù)如表2和表3所示。其中Nm為采用28天抗壓強度fck計算

6、的承載力，Nmt為在極限承載力試驗時測量的同齡期混凝土抗壓強度fct計算的承載力。表2長期加載鋼管混凝土試件參數(shù)試件編號D×ts×L (mm)fy(MPa)fck(MPa)Nm (kN)fct(MPa)Nmt (kN)13140×2.62×4200.079314.728.0945.942.81216.614140×2.66×4200.080314.732.21028.942.81225.01140×2.59×4200.078314.732.21018.842.81215.02140×2.60×4

7、200.079314.732.21020.442.81216.64140×4.33×4200.136273.332.21184.042.81377.36140×4.33×4200.136273.332.21184.042.81377.3 表3承載力對比試件參數(shù) 試件編號D×ts×L (mm)fy(MPa)fct(MPa)Nmt (kN)15140×2.65×4200.080314.742.81223.53140×4.38×4200.138314.742.81383.55140×4.60

8、×4200.146314.742.81410.97140×4.44×4200.140314.742.81391.41.2.2 加載制度 拆除長期加載裝置后，立即將試件放置在壓力機上進行一次加載壓縮試驗。實驗裝置和文獻5進行的圓鋼管混凝土軸壓試驗裝置類似。在長期加載試件和對比試件中截面按間隔90°試件四周對稱位置四點，每點各粘貼一片縱向應變片和一片橫向應變片，以測定中截面的縱向應變和橫向應變。長期加載試件除布置應變片外，保留了長期加載時在試件兩側(cè)布置的千分表，一方面可以測量拆除長期加載裝置后的變形恢復情況，另一方面極限加載時可以對比千分表與應變片測量應變的

9、差異。試驗裝置如圖1所示。在試件兩側(cè)對稱布置兩個量程為50mm位移計，以監(jiān)測試件的縱向變形。對試件進行一次壓縮試驗，位移計和應變片的數(shù)據(jù)由DH3816采集箱自動采集。a) 對比試件試驗裝置圖b) 長期加載試件裝置圖圖 1試件一次壓縮試驗裝置圖在測量儀器布置完畢后，首先將試件進行幾何對中。將試件的幾何中心軸線與加載壓力機的上下加載板幾何中心線對中。然后進行試加載與物理對中。試加載的壓力小于計算極限承載力的30%，分級加載。監(jiān)測試件四周的軸向應變的讀值變化，當變化不均勻時，需要卸載，重新調(diào)整試件位置，再重復加載，直到四周應變變化近似相等，認為此時試件的物理中心與加載壓力機的上下加載板幾何中心重合。

10、試驗采用分級加載制，在達到預計極限荷載的70%以前，每級荷載為預計極限荷載的1/10，當荷載達到70%后，每級荷載為預計極限荷載的1/20，每級荷載的持荷時間約為1分鐘，待測量裝置示數(shù)穩(wěn)定后，采集測量結(jié)果。當荷載接近試件極限荷載時，慢速連續(xù)加載。當荷載超過試件極限荷載時，連續(xù)采集應變片和位移計的示數(shù)，至位移計最大量程時，停止加載，試驗完畢。1.2.3試驗現(xiàn)象及結(jié)果 各試件的破壞過程很相似：在加載初期，當鋼管還處在彈性階段時，試件截面的應變和軸向壓縮變形隨荷載的增加而呈線性增加，即試件處于彈性工作階段，試件無明顯變化；當鋼管進入彈塑性階段后，試件中截面的應變和軸向壓縮變形隨荷載的增加其增加速度加

11、快，鋼管表面的鐵銹開始剝落，隨后在試件兩端的管壁上開始出現(xiàn)整齊的斜向剪切滑移線，隨荷載的增加，滑移線由少到多，由試件兩端向中部擴展，逐漸布滿管壁，此后不久在某一位置發(fā)生局部鼓曲，隨著荷載的增加試件發(fā)生腰鼓形破壞或者是剪切形破壞，最終以鋼管的軸向壓縮變形過大而導致試件完全破壞.試驗結(jié)果表明，鋼管的四個截面上縱向應變變化基本一致，構(gòu)件幾乎沒有側(cè)向撓曲現(xiàn)象產(chǎn)生，且均表現(xiàn)為柱子截面發(fā)生外凸破壞的特性。圖2 長期荷載作用下的試件變形(14號試件)圖3 對比試件變形(5號試件)1.3徐變對圓鋼管高性能混凝土軸壓短柱極限承載力的影響1.3.1 長期荷載作用下圓鋼管高性能混凝土柱變形的理論分析 圓鋼管高性能混

12、凝土短柱在長期荷載作用下，核心混凝土承擔的外荷載因鋼管和核心混凝土之間的變形協(xié)調(diào)而不斷發(fā)生改變，核心混凝土的縱向總應變應是瞬時彈性應變、徐變應變、收縮應變、溫度、濕度變化引起的應變之和6，由于該試驗是在同一溫度濕度條件下進行的，則溫度、濕度的變化可以忽略不計。而且試驗中作為對照組的鋼管混凝土收縮試件由于核心混凝土與徐變組的核心混凝土尺寸相差不大，故可按照收縮試件的位移量進行徐變組試件的收縮計算。因此在計算徐變時將總應變中減去瞬時彈性應變及收縮應變即可。 鋼管混凝土在長期荷載作用下,其核心混凝土的縱向總應變可表示為: (1)其中 , 為施加長期荷載后混凝土的即時應變;和分別為混凝土隨時間而發(fā)展的

13、徐變應變和收縮應變。如果采用齡期調(diào)整有效模量法計算徐變應變 7,式(1)可以寫成 (2)其中, 、分別為混凝土在徐變開始和結(jié)束時的應力, 為施加長期荷載時混凝土的彈性模量; 為齡期調(diào)整系數(shù),也稱為老化系數(shù),用來考慮混凝土在較長時期內(nèi)不斷變小的徐變能力。本文選用文獻8給出的模型,即 (3)這樣,就可由變形協(xié)調(diào)條件和內(nèi)外力平衡條件計算出圓鋼管混凝土構(gòu)件在長期荷載作用下的變形,計算過程如下:1)假設施加在受壓構(gòu)件上的長期荷載為NL,可按照文獻9提供的荷載-變形關系分析方法計算構(gòu)件在NL作用下跨中撓度um及跨中截面各單元的形心應力和形心應變。2)假設構(gòu)件在持荷時間t后產(chǎn)生一變形撓度增量um,由平截面假

14、定可計算出此時跨中截面各單元對應的形心應變,由此確定出截面受壓區(qū)各單元由于長期荷載作用產(chǎn)生的應變。3)利用齡期調(diào)整有效模量法計算各單元的應力,通過迭代調(diào)整截面形心處的應變,使構(gòu)件滿足內(nèi)外彎矩平衡條件。4)調(diào)整um,使構(gòu)件滿足內(nèi)外力平衡條件,最終獲得的um即為構(gòu)件在長期荷載作用下的實際撓度增量。5)施加一持荷時間增量,重復以上步驟2) 4),即可獲得一組變形和持荷時間的數(shù)值。這樣,最終可求得變形與持荷時間的全過程關系曲線。 在上述計算過程中,縱向應變可以按照文獻9介紹的對圓鋼管混凝土受壓構(gòu)件荷載-變形全過程分析方法求得,由于該方法中已考慮了鋼管對其核心混凝土的約束作用,因而本模型中也就自然考慮了

15、鋼管及其核心混凝土之間的組合作用。1.3.2徐變對極限承載力的影響 為了便于分析，本文定義圓鋼管高性能混凝土軸壓短柱極限承載力徐變影響系數(shù)Kcr=Ncrl/Ncr, (4)其中，Ncrl和Ncr分別為考慮和不考慮長期荷載作用影響時構(gòu)件的極限承載力.由試驗所得數(shù)據(jù)可以明顯看出，在一定長細比的前提下，隨著含鋼率的增加，Kcr有減小的趨勢，即由于長期荷載作用對圓鋼管高性能混凝土軸壓構(gòu)件的承載力影響趨于減小.這是因為越大，鋼管對構(gòu)件的“貢獻”就越大，核心混凝土的“貢獻”就越小，長期荷載作用對構(gòu)件的力學性能影響就很小，因而極限承載力的降低就越小。 通過所測得的數(shù)據(jù)，可以觀察到在長細比和含鋼率一定的前提下

16、，經(jīng)過長期荷載作用的短柱所得到的極限承載力要比不經(jīng)荷載作用的短柱略高，而且，通過利用最小二乘法可得到，經(jīng)過長期荷載作用的短柱剛度也略有增加。表4 長期加載試件參數(shù) 試件編號D×ts×L (mm)極限承載力（KN）試件編號D×ts×L (mm)極限承載力（KN）13140×2.62×4200.07913002140×2.60×4200.079135014140×2.66×4200.08013504140×4.33×4200#215;2.59×

17、4200.07813506140×4.33×4200.1361480表5承載力對比試件參數(shù) 試件編號D×ts×L (mm)極限承載力（KN）試件編號D×ts×L (mm)極限承載力（KN）15140×2.65×4200.08012005140×4.60×4200#215;4.38×4200#215;4.44×4200.14014300200400600800100012001400050001000015000應變 壓力 （

18、KN） 未經(jīng)長期荷載作用的試件 經(jīng)過長期荷載作用試件 圖4 極限承載力對比（含鋼率為0.08）-2000200400600800100012001400160002000400060008000應變壓力（KN）未經(jīng)過長期何在作用的試件經(jīng)過長期荷載作用的試件圖5 極限承載力對比（含鋼率為0.136） 考慮長期荷載作用影響時混凝土的應力-應變關系模型通常與一次加載時的情況不同。要進行考慮長期荷載作用影響時鋼管混凝土構(gòu)件荷載變形關系和承載力的計算,必須首先確定考慮長期荷載作用影響時核心混凝土的應力應變關系模型。 文獻9提出一次加載情況下圓鋼管混凝土核心混凝土軸心受壓時的縱向應力() 應變()關系如下

19、:y = A*x-B*x2(x1) (5 .a)y =1+ q·(x0·1-1)(1·12) (5. b)y=x·(x-1)2 +x(<1·12)(x <1) (5. c)式(5.a) 和式(5.b)中,參數(shù)A、B、q、和的確定方法參見文獻9;為約束效應系數(shù)9,=As·fy/Ac·fc=·fy/fc, (6)其中,fc=0·67*fcu,為混凝土抗壓強度指標,fcu為混凝土立方試塊抗壓強度; 系數(shù)，; 和分別為混凝土峰值點的應變及其對應的應力。當考慮長期荷載作用的影響、進行鋼管混凝土構(gòu)件荷載-

20、變形全過程關系曲線的計算時,需對式(6)所示的 模型進行修正。文獻10參考文獻1114對非約束混凝土應力-應變關系的研究方法,確定了方鋼管混凝土中核心混凝土的應力-應變關系模型。本文采用類似于文獻10的方法,確定圓鋼管混凝土中核心混凝土的應力-應變關系,即假設長期荷載作用不影響鋼管混凝土中核心混凝土的強度,只影響其應變的變化;收縮對應力-應變關系曲線的影響是使其產(chǎn)生沿應變軸的平移(平移量為收縮應變值)。綜合徐變和收縮的影響,可給出考慮長期荷載作用影響時的應變與對應的短期荷載作用下- 關系上應變的關系如下: （7）這樣,即可方便地確定出考慮長期荷載作用影響時圓鋼管混凝土核心混凝土的應力-應變關系

21、模型.計算時采用如下基本假設:(1)鋼材的應力-應變關系采用二次塑流模型(參見文獻9); (2)鋼和混凝土之間無相對滑移,鋼管混凝土構(gòu)件在變形過程中始終保持為平截面。(3)忽略剪力對構(gòu)件變形的影響。(4)構(gòu)件撓曲線為正弦半波曲線,構(gòu)件存在在千分之一桿長的初撓度。荷載變形計算如下：(1)與文獻9計算圓鋼管混凝土壓彎構(gòu)件一次加載時荷載-變形全過程關系的方法類似,計算出長期荷載NL作用下構(gòu)件的荷載-變形關系。(2)假設構(gòu)件在持荷t時間后有一撓度增量um,由平截面假定可計算出跨中截面各單元對應的形心應變,由此確定出截面受壓區(qū)各單元由于長期荷載作用產(chǎn)生的應變。(3)確定各單元的應力,通過迭代調(diào)整截面形心

22、處應變,使構(gòu)件滿足內(nèi)外彎矩平衡條件。(4)調(diào)整um,使構(gòu)件滿足內(nèi)外軸力平衡條件,最終得到的um即為考慮長期荷載作用影響時構(gòu)件實際的撓度增量。(5)繼續(xù)疊代,即可計算出圓鋼管混凝土受壓構(gòu)件荷載-變形全曲線。四、結(jié)論（成果介紹） 1.長期荷載作用下圓鋼管高性能混凝土構(gòu)件的變形變化趨勢隨持荷齡期的增加而減小，隨持荷時間的延長而增加。2.理論分析可知，圓鋼管高性能混凝土構(gòu)件截面含鋼率越大，長期荷載作用下的變形越小，極限承載力越大.也就是說, 圓鋼管高性能混凝土構(gòu)件截面含鋼率越大,鋼管對構(gòu)件的“貢獻”就越大，核心混凝土的“貢獻”就越小，長期荷載作用對構(gòu)件的力學性能影響就很小。3.理論分析可知,經(jīng)過長期荷

23、載作用下的圓鋼管高性能混凝土軸壓短柱,在加載時間為158天內(nèi)極限承載力和剛度略有增大.本文中考慮的Kcr的思路可供實際有關工程設計的參考.五、經(jīng)費使用情況 1.科研業(yè)務費: 1.0百元 科目 經(jīng)費（百元） 備注 復印、打印費 0.5 復印、打印費0.5百元 辦公用品、學術(shù)刊物 0.5 辦公用品、學術(shù)刊物等共計0.5百元 2.實驗材料費: 6.0百元 科目 經(jīng)費（百元） 備注 試驗耗材 6.0 螺母、應變片、導線、膠等，共計6.0百元 合計：7百元六、問題、體會與收獲這是我第一次做課題，因而在試驗的過程中出現(xiàn)了幾個問題： 1.本項目試驗期間，最初我的想法是不拆除短柱的兩個蓋板而直接將試件放在壓力

24、機下進行試驗，因為如果要拆除蓋板，鋼材一定會發(fā)生彈性形變恢復，而發(fā)生這種恢復對于整個試驗的影響也是我不能預測的。但由于蓋板本身的強度很大，會影響到試件的極限承載力的測量，而且影響的程度也遠遠大于不拆除蓋板的影響，因而我放棄了最初的想法而選擇了拆除蓋板后立即對試件進行壓力試驗。 2在最初設計試驗試件時，我設計的試件的含鋼率是從0.080.136均勻分布的,可是真正實施起來時卻有了困難：第一，學校給與的經(jīng)費只有700元，對于購買鋼材來說是遠遠不夠的；第二，當時的市場只存有0.08和0.136兩種含鋼率的鋼材，最后我只能購買這兩種鋼材。因而，這對于后來的試驗數(shù)據(jù)的研究便不是那么全面。3.在整個試驗過

25、程中，最大的障礙我認為是資金問題。700元錢遠遠不足以支付購買原材料以及材料加工的費用。因此，這限制了我很多想法的實施。在鋼結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)教研組的幫助下，這個問題在一定程度上還是得到了改善?！安唤?jīng)歷風雨，怎能見彩虹”，遇到的這么多問題，我們創(chuàng)新研究組攜手一起克服，這也讓我們收獲了許多。1.整個試驗我們親自查找資料，獨自設計，這和我們以前所做的實驗是截然不同的。以前的實驗大都是已知試驗原理和結(jié)論，而對之進行驗證，而本項目試驗，我們?nèi)徊恢涝囼灲Y(jié)果，我們能做的只是認真仔細的查閱資料，一絲不茍的進行試驗，對試驗數(shù)據(jù)進行分析。這便使我對以后的試驗有了進一步的認識，肯定會對我在完成本科期間和研究生期間

26、的試驗有幫助的。2.在試驗過程中，我和王宇遇到了不少困難。在困難中我們相互鼓勵，相互幫助，使得我們的項目可以順利地進展。而且，我們分工明確，各施所長，使得我們有了更大的動力。這種團隊精神也是我們今后賴以生存的法寶。七、建議 在本科期間，我們能得到這么好的機會可以對自己喜歡的東西進行研究實屬難得，希望學校能大力開展這種活動，能讓更多的人參與，體驗這種得團隊合作的精神。八、結(jié)束語與致謝本項目由哈爾濱工業(yè)大學本科生創(chuàng)新試驗相關部門的資助,在此對哈爾濱工業(yè)大學創(chuàng)新試驗組表示感謝.感謝我的導師張素梅教授.感謝老師對我的悉心指導和關懷,老師嚴謹治學的態(tài)度,勤奮工作的精神,胸懷坦蕩的風范和對科學真理的不斷追

27、求的理念都將成為我心中不可磨滅的記憶.感謝王玉銀副教授在一年里的無私教誨與幫助.王老師嚴謹細致的工作態(tài)度,謙遜正直的人格,使我不僅在學業(yè)上得到不斷的提高,也懂得了很多的做人的道理.感謝郭蘭惠老師在上學期的steel and concrete composite construction 選修課中給予我的悉心輔導，使我在平時的文獻閱讀中節(jié)省了很多麻煩。本項目的實驗研究得到了鋼結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)中心的大力支持,對本項目提供了個各方面的無償幫助，在此對耿悅,王偉光,蕭雯雯,郭嘉佳等同學表示感謝,感謝你們給予我的幫助和關心.我將會更加努力的學習來回報大家對我的幫助。九、參考文獻1 韓林海,楊有福,劉威,長期荷載作用對矩形鋼管混凝土軸心受壓柱力學性能的影響研究 哈爾濱工業(yè)大學土木工程學報 2004(3):1218 2 韓林海,陶忠,劉威,陳寶春，長期荷載作用下方鋼管混凝土軸心受壓柱的變形特性 中國公路學報 2001，14（2）：5257 3 韓林海,陶忠,劉威,陳寶春，長期荷載作用下方鋼管混凝土柱承載力的影響 中國公路學報 2001， 14 (2）：5766 4 鐘善桐 鋼管混凝土結(jié)構(gòu) 清華大學出版社，2002 5 王玉銀 圓鋼管高性能混凝土軸壓短