細長鋼管混凝土構件混凝土應變測試

謝志濤，孫 涵，黃文金

(福建農林大學 交通與土木工程學院，福建 福州 350002)

鋼管混凝土構件以其優越的抗壓性能主要用于建筑結構柱、橋墩和拱肋等以受壓為主的結構中[1-2]。當柱子的長細比較大或荷載偏心率較大時，通常采用格構柱[3]。鋼管混凝土格構柱能以較小直徑的柱肢取得較大的截面抗彎剛度，且柱肢以受軸壓力為主，因而能夠充分發揮鋼管混凝土受壓承載力大的優點[4]。鋼管混凝土桁梁是鋼管混凝土結構從受壓結構向受彎結構應用的推廣[5-6]。與格構柱相似，桁梁能以較小截面的弦桿獲得較大的整體抗彎剛度，是一種合理的受彎結構[7-9]。鋼管混凝土桁梁弦桿管內填充混凝土有助于減小腹桿內力引起的弦桿鋼管徑向不均勻變形，從而改善節點處弦桿鋼管受力狀態[10-12]。

鋼管混凝土桁梁也被一部分研究人員視為在弦桿管內填充混凝土的鋼管桁架結構[6]。鋼管桁架結構的受力性能主要取決于相貫節點，而弦桿內力一般不控制設計[5]。顯然，鋼管混凝土結構優點之一就是鋼管與管內混凝土的組合效應。因此，正確界定鋼管混凝土桁梁的結構性能，與管內混凝土應力狀態有很大關系。鋼管混凝土桁梁的弦桿管徑較小，不便于在管內布設混凝土應變計。以往在結構分析時，往往對管內混凝土受力狀態作理想化假定，即管內混凝土與弦桿鋼管協調變形。然而，已有的試驗研究表明，在鋼管混凝土桁梁喪失整體極限承載力時，弦桿管內混凝土受力并不明顯，與傳統鋼管混凝土柱甚至鋼管混凝土梁的管內混凝土有很大區別[1,9]。常用的內埋式混凝土應變傳感器造價高，而且其較大的外觀尺寸勢必擠占鋼管斷面空間而影響管內混凝土澆筑質量。為此，本文針對小管徑、大長細比的鋼管混凝土構件，研究管內混凝土應變測試技術，開發簡易的內埋式混凝土應變計及其定位裝置，同時進行普通強度等級的自密實混凝土試配和澆筑工藝設計。

1內埋式混凝土應變計設計

1.1鋼管混凝土桁梁試驗模型簡介

鋼管混凝土桁梁模型全長為6 000 mm，計算長度為5 760 mm，外觀高度為602 mm，見圖1。弦桿鋼管為Φ102.0 mm×4.5 mm，腹桿鋼管為Φ57.0 mm×4.0 mm，腹桿布置采用修正Warren式，斜腹桿軸線與弦桿軸線夾角為52°，弦桿管內填充C40混凝土。

鋼管混凝土桁梁試驗模型下弦桿兩端簡支于反力臺座上，通過千斤頂對上弦桿跨中截面施加荷載。為了減小外力和腹桿力對弦桿管內混凝土應變測試精度的影響，本試驗只在1/24跨徑截面以及跨中截面測試管內混凝土的軸向應變。

1.2 內埋式混凝土應變計設計

在往鋼管混凝土桁梁弦桿管內灌注新拌混凝土之前，預先將混凝土應變計預埋于弦桿鋼管設計位置處。混凝土應變計包括混凝土棱柱體、混凝土應變片、卡口鋼片、數據線和牽引繩組成。混凝土應變計通過卡口鋼片和牽引繩固定于測試截面。如圖2a和2b所示，弦桿鋼管外徑102.0 mm，壁厚4.5 mm，混凝土應變計橫斷面邊長為30.0 mm，卡口鋼片全長為59.0 mm，自由段長度為29.0 mm，弦桿鋼管內部凈空間足夠新拌自密實混凝土通過并保證密實。

混凝土應變片采用502膠水粘貼于混凝土棱柱體表面，如圖2b所示，并采用環氧樹脂和紗布覆蓋起來，以保護應變片在澆筑混凝土過程免受振搗和水分侵蝕。混凝土棱柱體為普通混凝土，但其強度等級與管內自密實混凝土的一致。混凝土應變計卡口鋼片采用結構膠粘貼于混凝土棱柱體表面，鋼片自由端抵于弦桿鋼管內壁，從而限制了混凝土應變計沿弦桿鋼管徑向移動。為了將混凝土應變計從弦桿端部沿著弦桿軸向(縱向)移動到設計位置，除了將鋼片端角打磨成圓角外，還在混凝土棱柱體內預埋兩條縱向牽引繩。

此外，采用手持式鉆孔機在弦桿管壁開孔，如圖3所示，通過塑料套管保護的混凝土應變片數據線，這一措施既可保護數據線也可減小數據線干擾管內混凝土澆筑。加載試驗前，采用結構膠和弧形鋼板對弦桿鋼管開孔處進行覆蓋以進行局部加強。

2 管內混凝土試配和澆筑

2.1 自密實混凝土配合比設計

自密實混凝土又稱自流平混凝土、免振搗混凝土，是基于施工性能來分類和命名的。自密實混凝土通過膠凝材料、粗骨料、細骨料和外加劑的選擇來進行配合比優化設計，使得拌合物屈服值減小且又具有足夠的塑性粘度；粗細骨料能夠懸浮于水中不離析、不泌水，在不用或基本不用振搗的成型條件下，能充分填充所有的空隙，形成密實而均勻的混凝土結構；硬化后，具有良好的力學性能和耐久性能。

自密實混凝土有多種的配合比設計方法和理論依據，如固定砂石法[13]、簡易配合比法[14]、參數法[15]、改進全計算法[16]、絕對體積法[17]、純粹經驗推導法[18]等，不同配合比設計的自密實混凝土的工作性能以及力學強度也有較大差異。本文桁梁模型試驗分別采用了固定砂石法、絕對體積法和參數法進行試配。

自密實混凝土試配所采用的原材料為煉石牌PO42.5普通硅酸鹽水泥，其密度ρc為3.12 g/cm3；一級粉煤灰，其近似密度ρf為2.30 g/cm3；閩江中砂，其近似密度為2.67 g/cm3，堆積密度為1.48 g/cm3；碎石，其近似密度為2.61 g/cm3，堆積密度為1.57 g/cm3，最大粒徑為10 mm；自來水；TW-PS聚羧酸減水劑，為福建省建筑科學研究院所生產，固化率為27%。三種配合比的材料用量如表1所示。表1中減水劑摻量是指減水劑與膠凝材料的百分比；T50表示坍落擴展度達到500 mm的流動時間；Tv表示V形漏斗內混凝土全部流出的時間，用于測量新拌混凝土的粘稠性和抗離析性；H2/H1表示L型儀兩邊箱體中拌合物的高度比值，施工現場多采用此法；Δh為U型箱B室未填充的高度，此方法用于測量混凝土拌合料通過鋼筋間隙與自行填充模板角落的能力[17,19]。

由表1可知，三種方法試配的自密實混凝土的工作性能均滿足自密實混凝土工作性的一般要求。實際上，由于試配混凝土設計強度等級較低，在采用固定砂石法試配過程中，泌水現象比較嚴重，如圖4所示，后經多次調整形成了表1中的配合比設計方案。

根據剛度相似原理，桁梁試件弦桿管內混凝土強度等級設計為C40。為此，對三種自密實混凝土的不同齡期強度進行了測試。混凝土立方體標準試塊抗壓強度見表2，三種方法配制的自密實混凝土的抗壓強度均符合設計要求。綜合對比混凝土的工作性和強度可以發現：(1)絕對體積法的用水量范圍較窄，流動性較差；(2)參數法跟材料本身的性能有很大的關系，適用性較差；(3)固定砂石體積法的參數意義明確，設計過程簡單，適用性較好，坍落擴展度大。因此，鋼管混凝土桁梁試件弦桿管內混凝土的配合比采用固定砂石法進行設計。

表1 不同設計方法的自密實混凝土配合比及其工作性能

技術指標原材料用量/kg.m-3水泥沙子碎石水粉煤灰減水劑/%密度/kg.m-3坍落拓展度/mmT50/sTv/sH2H1Δh/mm固定砂石法356.8802.9802.9233.4153.10.62349.07303.512.90.9123絕對體積法392.3797.2861.2197.2168.31.22383.46903.718.20.8120參數法336.7713.1963.0217.0144.41.22338.17203.415.80.8923自密實混凝土指標要求(-550,750)(2.0,5.0)(5.0,20.0)≥0.8≤30

表2 混凝土標準試塊抗壓強度 (單位：MPa)

2.2 澆筑桁梁試件管內混凝土

在澆筑鋼管混凝土桁梁試件弦桿管內混凝土之前，采用PVC管模擬弦桿鋼管進行試澆筑試驗。在正式澆筑混凝土時，除了不斷攪拌混凝土拌合料外，還采用食品保鮮膜覆蓋拌合料以減少水分蒸發。澆筑混凝土時，將桁梁試件斜靠在預先搭設的施工平臺上，利用混凝土自重加快混凝土沿弦桿鋼管內壁流動、使之密實。此外，為了避免因泌水、離析等原因導致桁梁弦桿兩端混凝土不夠密實，還采用PVC管對弦桿兩端進行接長。弦桿管內混凝土終凝完成后，抽掉PVC管再采用微膨脹補強混凝土和鋼板對弦桿鋼管兩端進行封口。

弦桿管內混凝土澆筑分階段進行，以安裝管內混凝土應變計及其定位構造。正式灌注弦桿管內混凝土前，先將導線管從弦桿中部的開孔處深入至端部，將混凝土應變計數據線與導線管臨時連接后，再通過導線管將混凝土應變計數據線和定位線牽引出弦桿鋼管預留孔道。此時，混凝土應變計仍位于弦桿端部。此后，開始往弦桿鋼管內灌注混凝土，直至混凝土砂漿開始從弦桿鋼管開孔處外溢，然后通過牽引繩將混凝土應變計準確定位至設計截面。固定好牽引繩，繼續澆注弦桿管內混凝土直至PVC管接長段。

在混凝土初凝和終凝完成后，分別采用萬用表對混凝土應變片的工作狀態進行檢測，檢測結果表明應變片電阻值正常，混凝土應變計處于正常工作狀態。

3 結語

自密實混凝土的工作性能受原材料影響較大，在灌注鋼管混凝土梁或桁架小比例模型的管內混凝土時，應采用原材料加強試配和澆筑工藝試驗。對于實際工程，可以往鋼管內泵送自密實混凝土，因此在使用內埋式混凝土應變計時只需考慮定位問題，而不必擔心管內混凝土是否能夠密實；若要對混凝土應變進行長期監測，則可以考慮使用市面上常用的混凝土應變計；若對大量截面的混凝土應變進行短期監測，甚至是對管內混凝土溫度梯度進行量測，則可采用本文開發的混凝土應變計，以降低造價和施工難度。

參考文獻：

[1] 韓林海, 楊有福. 現代鋼管混凝土結構技術[M].北京: 中國建筑工業出版社, 2004．

[2] 蔡紹懷. 現代鋼管混凝土結構[M].北京:人民交通出版社, 2003．

[3] 陳寶春. 鋼管混凝土拱橋(第二版)[M].北京: 人民交通出版社, 2007．

[4] 陳寶春, 歐智菁. 四肢鋼管混凝土格構柱極限承載力試驗研究[J]. 土木工程學報, 2007, 40(6):32-41．

[5] 黃文金. 鋼管混凝土桁梁極限承載力研究[D]. 福州: 福州大學, 2009．

[6] 韓林海．鋼管混凝土結構-理論與實踐[M]. 北京: 科學出版社, 2004．

[7] 狄 謹, 周緒紅, 劉永健. 矩形鋼管混凝土桁架節點極限承載力研究[J]. 中國公路學報, 2004, 17(3):62-67．

[8] 莊一舟，吳建華，吳開成，等．預應力鋼管混凝土桁架應用與研究探討[J]. 建筑結構學報, 2003, 24(2):38-41．

[9] 張聯燕，李澤生，程懋方．鋼管混凝土桁架組合梁式結構[M]. 北京: 人民交通出版社, 2000．

[10] 陳寶春，黃文金．鋼管混凝土K形相貫節點極限承載力試驗研究[J]．土木工程學報, 2009, 42(12):91-98．

[11] 陳寶春，黃文金．圓管截面桁梁極限承載力試驗研究[J]. 建筑結構學報, 2007, 28(3)：31-36．

[12] 黃文金，陳寶春．腹桿形式對鋼管混凝土桁梁受力性能影響的研究[J]．建筑結構學報，2009，30(1):55-61．

[13] 吳中偉，廉慧珍．高性能混凝土[M]．北京：中國鐵道出版社，1999．

[14] NAN SU，KUNG CHUNG HSU，HIS WEN CHAI. A simple mix design method for self-compacting concrete [J]. Cement and Concrete Research, 2001, 31(12): 1799-1807.

[15] 吳紅娟．自密實混凝土配合比設計方法研究[D].天津: 天津大學, 2005．

[16] 姜德民, 高振林. 高性能自密實混凝土的配合比設計[J]. 北方工業大學學報，2001, 13(9): 89-96．

[17] TGJ/T283-2012．自密實混凝土應用技術規程[S]．

[18] 范志宏，蘇達根，王勝年．自密實混凝土配合比設計方法研究[J]. 水運工程, 2004(2): 11-15．

[19] GB/T 50081-2002．普通混凝土力學性能試驗方法標準[S]．