圓端形鋼管混凝土塔柱受力特征實測分析★

李　彬　李　艷

(1．長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北武漢　430010;2．武漢交通職業學院，湖北武漢　430065)

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圓端形鋼管混凝土塔柱受力特征實測分析★

李彬1李艷2

(1．長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北武漢430010;2．武漢交通職業學院，湖北武漢430065)

摘要:介紹了某大型結構的圓端形鋼管混凝土塔柱的實時應力監測方案，通過對監測數據的分析，初步了解了圓端形鋼管混凝土組合結構在整個施工過程中的受力狀態和受力特征，為今后形成圓端形鋼管混凝土結構的設計提供了基礎性數據依據。

關鍵詞:圓端形鋼管混凝土，應力監測，受力特征

0　引言

20世紀80年代后期，隨著先進泵送混凝土工藝的發展，鋼管混凝土結構憑其諸多優異性能在美國和澳大利亞等國悄然興起。鋼管混凝土結構技術在我國開發利用已長達40多年之久，據統計，我國采用鋼管混凝土技術的工程案例已達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用目前非常少見，國內外都缺乏有關這一新型結構形式的相關設計依據。某大型橋梁結構的塔柱采用圓端形鋼管混凝土結構形式，通過在塔柱截面的關鍵部位預埋傳感器監測塔柱在各個施工階段的實時應力。本文對塔柱在整個施工階段的實時應力監測數據進行了應力變化趨勢分析，初步了解了圓端形鋼管混凝土這種新型結構在施工階段的受力特征。

1　圓端形鋼管混凝土塔柱應力監測方案

某大型結構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，鋼管內采用C50自密實微膨脹混凝土充實，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

在應力監測試驗中常用的元器件有振弦式應變計、差動式應變計和電阻應變計。圓端形鋼管混凝土塔柱的核心混凝土中采用結構簡單、精度較高的振弦式應變計，這種應變計抗干擾能力強，測量效果理想。

1．1測點布置

圓端形鋼管混凝土塔柱具有雙軸對稱的橫截面形式，應力傳感器采取對稱布置的原則，重點監測直線段、圓弧最外段和二者結合處的應力變化規律。核心混凝土內部共布置36個振弦式應變計，其中，底部截面(標高+27．405)布置10個豎向應力應變計(BV0n，BV0ni)，重點監測塔柱底部混凝土中的豎向應力;中部截面的鋼管對混凝土具有較強的套箍作用，在中部截面(標高+34．905)布置12個豎向應力應變計(MV0n，MV0ni)，4個縱向應力應變計(ML0n，ML0ni)，10個橫向應力應變計(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，施工時分為8個節段進行分段施工，除第一節段高300 cm外，其余節段高度均為450 cm，此時鋼管混凝土塔柱為軸心受壓工況。斜拉索錨固區施工完畢后分6次沿主塔兩側對稱張拉掛索，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應變補償

應力監測值除包含荷載作用下的彈性應變外，還受溫度、混凝土收縮、徐變等因素影響，通過埋設無應力計，補償混凝土自由溫度應變、自身的體積應變和收縮應變的影響。選用性能優良的熱敏電阻作為測溫元件，測溫點設定在塔柱的應力監測截面上。

2　實時應力分析

2．1混凝土豎向應力

圓端形鋼管混凝土雙肢塔柱各測點14個施工工況的豎向應力監測數據變化曲線(工況—應力)如圖2和圖3所示，個別測點沒有存活。

圖2　底部截面核心混凝土豎向應力變化曲線

圖3　中部截面核心混凝土豎向應力變化曲線

2．1．1軸壓工況

在軸壓工況下，核心混凝土豎向壓應力呈線性增加的趨勢，第8工況軸向壓力達到最大。而第6～第8工況大部分測點的應力增長速度小于1～5工況，分析其主要原因是在受力初期鋼管內部的混凝土處于自由應變狀態，隨著外部荷載增大，鋼管的套箍效應開始發揮，使內部混凝土逐漸處于三向受壓應力狀態。由圖2可見，各測點的豎向應力差別較小，直線段中點(02，02i，03，03i)的豎向應力相對最大，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側的分力小于另一側，因此i側的豎向應力明顯小。圓弧段外端(BV05)的豎向壓應力增大的速度最快，第14工況時達到20．2 MPa。但實時監測的最大應力值遠小于C50核心混凝土的抗壓強度(混凝土在3 d抗壓強度不小于40 MPa，28 d抗壓強度不小于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。

2．2混凝土順橋向和橫橋向應力

圖4　中部截面核心混凝土橫橋向和順橋向應力變化曲線

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

3　結語

實時應力監測結果表明，在整個施工階段，鋼管混凝土塔柱承受的自重及施工相關荷載相對其設計極限荷載而言仍較小，該大型橋梁結構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還沒有充分發揮。本文對圓端形塔柱受力特征的研究局限于施工階段，進一步的研究工作有待于持續監測結構在正常使用過程中的實時應力，后續研究對圓端形鋼管混凝土結構的設計和施工都具有重要的指導意義。

參考文獻:

［1］鐘善桐．鋼管混凝土結構［M］．第3版．哈爾濱:黑龍江科學技術出版社，2003．

［2］鐘善桐．高層鋼管混凝土結構［M］．哈爾濱:黑龍江科學技術出版社，1999．

［3］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．

［4］韓林海．鋼管混凝土結構［M］．北京:科學出版社，2004．

［5］蔡紹懷．現代鋼管混凝土結構(修訂版)［M］．北京:人民交通出版社，2007．

［6］蔡紹懷．我國鋼管混凝土結構技術的最新進展［J］．土木工程學報，1999，32(4):16-24．

［7］蔡紹懷．鋼管混凝土結構的計算與應用［M］．北京:中國建筑工業出版社，1989．

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★:湖北省教育廳科學技術研究項目(項目編號:B2014205)

文章編號:1009-6825(2016)01-0040-02

中圖分類號:TU311

文獻標識碼:A