朱 斌 劉祖華

0 引言

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中,在軸向力的作用下混凝土的變形受到鋼管的約束處于三向受力狀態(tài),混凝土的承載力會(huì)顯著提高。同時(shí),鋼管的套箍作用能大大提高混凝土的塑性。另外,鋼管內(nèi)填混凝土能提高鋼管壁的穩(wěn)定性,使結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性得到提高。此外鋼管可作為混凝土澆筑模板,為施工提供便捷。因此,在拱形建筑物中采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)具有很大優(yōu)越性。

某建筑在使用階段外表面需承受0.8倍標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的作用,因此設(shè)計(jì)采用圓弧形拱屋架結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)體系主受力構(gòu)件為矩形鋼管混凝土拱,每個(gè)拱上有26個(gè)縱向次梁,次梁上安置抵抗大氣壓的弧面板。

拱截面尺寸為:方鋼管混凝土構(gòu)件,尺寸1 000 mm×2 000 mm,鋼管壁厚38 mm,內(nèi)填C50混凝土。鋼管內(nèi)壁設(shè)置栓釘。拱身半徑 R=30.74 m,跨度 L=59.244 m,拱高 H=22.525 m。拱肋下端采用埋入式拱腳,拱腳與基礎(chǔ)剛接。設(shè)計(jì)單位根據(jù)等效梁柱法初步確定了拱的截面尺寸,但還需要進(jìn)行模型試驗(yàn)以確定拱肋的承載力。

1 試驗(yàn)方法

1.1 模型設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)單位提供的圖紙,綜合考慮模型的相似關(guān)系、尺寸效應(yīng)、試驗(yàn)場(chǎng)地、加載條件以及材料限制等因素的影響,采用1/9.5的縮尺比例制作拱的模型試件。

本試驗(yàn)中所用材料按原型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用,鋼管用Q345熱軋薄鋼板,混凝土用C50無(wú)收縮混凝土,采用海螺P.O42.5水泥,細(xì)石骨料,摻膨脹劑使混凝土微膨脹無(wú)收縮,水灰比為0.32。

根據(jù)相似關(guān)系要求,確定拱試件的幾何尺寸見(jiàn)表1。

表1 拱試件尺寸

1.2 加載方法

該建筑在使用時(shí),圍護(hù)體系將承受0.8個(gè)大氣壓的壓力,即相當(dāng)于80 kN/m2的面荷載。面荷載的作用方向?yàn)榇怪敝赶蛲鈿け砻?耐壓鋼板),通過(guò)次梁,這些面荷載合成一個(gè)指向拱軸線圓心的集中力,每根次梁處為一個(gè)集中力。按照設(shè)計(jì)要求,共計(jì)有26根次梁,它們間距相等,所以這些集中力大小相等。

由以上的相似關(guān)系可以得到拱試件的試驗(yàn)加載。

試驗(yàn)加載采用一個(gè)千斤頂作為一個(gè)集中力,共計(jì)用26個(gè)千斤頂進(jìn)行并聯(lián)加載,對(duì)拱作用26個(gè)大小相等、加載速率相同的集中力(見(jiàn)圖1)。千斤頂(集中力)作用在拱的外表面,與實(shí)際結(jié)構(gòu)情況(次梁作用在拱的下半部)稍有不同。由于本次試驗(yàn)主要用于驗(yàn)證整體拱的受力情況和承載能力,可以忽略集中力作用點(diǎn)不同等因素。

為完成加載,設(shè)計(jì)了一個(gè)試驗(yàn)加載裝置(見(jiàn)圖2),主要組成部分為:底座,26套橫梁拉桿,26個(gè)千斤頂及相應(yīng)的油路、油泵,平面外支撐。

1.3 測(cè)試方法

測(cè)試內(nèi)容:1)拱試件的徑向變形。沿拱試件的軸線布置5個(gè)徑向位移測(cè)點(diǎn)(見(jiàn)圖3中測(cè)點(diǎn)S1～S5),用拉線式位移計(jì)測(cè)量測(cè)點(diǎn)處試件沿徑向的位移。另外,在固定端布置位移計(jì)測(cè)量?jī)啥斯澳_沿徑向和軸向的位移,還布置位移計(jì)測(cè)量底座的變形(見(jiàn)圖3中測(cè)點(diǎn)S6～S12)。由這些測(cè)點(diǎn)的位移測(cè)量結(jié)果,可以得到拱試件平面內(nèi)的徑向變形。2)拱身截面應(yīng)變。沿拱試件的軸線布置5個(gè)應(yīng)變測(cè)試截面,位置與徑向位移測(cè)點(diǎn)相同。在每個(gè)應(yīng)變測(cè)試截面,布置了6個(gè)軸向應(yīng)變測(cè)點(diǎn),7個(gè)橫向應(yīng)變測(cè)點(diǎn)。所有應(yīng)變計(jì)都粘貼在試件鋼管的外表面。3)集中力。在加載油路上,安裝了1個(gè)液壓傳感器,用于測(cè)量1個(gè)千斤頂集中力的大小。

試驗(yàn)過(guò)程中,通過(guò)數(shù)據(jù)采集程序,進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。另外,還觀察試件的受力變形情況和破壞形態(tài)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)加載分為4個(gè)階段:1)正常使用荷載試驗(yàn),分級(jí)加載至22.63 kN(單個(gè)千斤頂?shù)暮奢d,對(duì)應(yīng)于使用時(shí)的80 kN/m2的面荷載)。2)彈性階段加載,分級(jí)加載至50 kN。3)設(shè)計(jì)極限荷載,分級(jí)加載至87 kN(單個(gè)千斤頂?shù)暮奢d,根據(jù)規(guī)范CECS 159∶2004矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程和等效梁柱法按壓彎構(gòu)件計(jì)算得到)。4)極限承載力試驗(yàn),分級(jí)加載至120 kN(單個(gè)千斤頂?shù)暮奢d),然后連續(xù)加載至試件破壞。

第1階段～第2階段加載過(guò)程中和卸載后試件完好,未發(fā)現(xiàn)任何損壞現(xiàn)象。

第3階段加載至60 kN時(shí),試件發(fā)出輕微的聲音;以后每級(jí)加載,都可以聽(tīng)到聲音;卸載后檢查,試件基本完好,未發(fā)現(xiàn)明顯的損壞現(xiàn)象。

第4階段加載至100 kN時(shí),22號(hào)加載點(diǎn)附近鋼管外壁附著的水泥漿薄層脫落;加載至120 kN時(shí),試件各截面的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)較快,因此開(kāi)始進(jìn)行連續(xù)加載;加載至124.9 kN時(shí),試件在22號(hào)與23號(hào)加載點(diǎn)之間的部位發(fā)生受壓破壞,試件達(dá)到極限承載力,破壞時(shí)伴有劇烈響聲。破壞后檢查得到,破壞處鋼管的四個(gè)側(cè)面均向外鼓凸、焊縫撕裂,從裂口可見(jiàn)內(nèi)部混凝土已壓碎。另外,試件右面近拱腳處背面鋼管鼓凸,該區(qū)域鋼管與內(nèi)部混凝土脫開(kāi)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

選取與破壞截面附近的截面1分析,截面1荷載—平均應(yīng)變曲線見(jiàn)圖4。

由圖4可知,在第1階段(0～A)截面的荷載與應(yīng)變曲線基本為直線,加載至22.63 kN時(shí)(模擬0.8個(gè)大氣壓荷載),平均應(yīng)變?yōu)?84μ ε,根據(jù)試驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù),卸載后應(yīng)變基本回零,仍處于線彈性階段。在第2階段(A～B),截面的荷載與應(yīng)變曲線基本為直線,加載至50.0 kN時(shí),平均應(yīng)變?yōu)?450μ ε,卸載后應(yīng)變基本回零,仍處于線彈性階段。在第3階段(B～C),拱試件已有彈塑性變形,加載至87.0 kN時(shí),平均應(yīng)變?yōu)?950μ ε,卸載后有明顯的殘余變形,已進(jìn)入彈塑性階段。第4階段(C～D)加載至 120 kN持載時(shí),鋼管內(nèi)部混凝土損傷裂縫已經(jīng)不穩(wěn)定擴(kuò)展,在荷載未增加的情況下,截面應(yīng)變?nèi)猿掷m(xù)快速增長(zhǎng),加載至124.9 kN(極限承載力)時(shí),平均應(yīng)變?yōu)? 368 μ ε,拱試件達(dá)到破壞,根據(jù)先前拱身軸壓試驗(yàn)結(jié)果,拱身軸心受壓承載力平均值為1 676.7 kN,按結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算方法,欲使拱試件達(dá)到軸心受壓破壞,單個(gè)千斤頂荷載必須達(dá)到163.6 kN,本次試驗(yàn)極限承載力達(dá)到了軸心受壓破壞荷載的76.3%。

根據(jù)各徑向位移測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)畫(huà)出各加載階段拱的變形圖見(jiàn)圖5。

由位移數(shù)據(jù)以及圖5可看出,在第1加載階段～第2加載階段,拱各處變形基本是對(duì)稱(chēng)的,對(duì)稱(chēng)點(diǎn)位移差距不大,這時(shí)拱是處于彈性工作階段;當(dāng)荷載逐漸增大,尤其是進(jìn)入彈塑性工作階段后拱的不對(duì)稱(chēng)變形越來(lái)越明顯,對(duì)稱(chēng)點(diǎn)位移差距也逐漸加大,在拱發(fā)生破壞時(shí),變形不對(duì)稱(chēng)性達(dá)到最高。

綜合試驗(yàn)現(xiàn)象、各階段荷載與應(yīng)變、位移的關(guān)系,可以得出第1加載階段～第2加載階段,試件基本處于線彈性階段,卸載時(shí)基本無(wú)殘余變形,試件變形基本是對(duì)稱(chēng)的,當(dāng)進(jìn)入第3加載階段,尤其是荷載大于60 kN時(shí),試件因變形損傷發(fā)出響聲,可以判斷自60 kN開(kāi)始試件已進(jìn)入彈塑性階段,進(jìn)入彈塑性階段后,試件變形加大,且不對(duì)稱(chēng)變形也越來(lái)越明顯,試件由早期的軸心受壓轉(zhuǎn)變?yōu)閴簭澒ぷ鳡顟B(tài),最終發(fā)生失穩(wěn)破壞。

4 結(jié)語(yǔ)

1)所施加的荷載(單個(gè)千斤頂?shù)暮奢d)不大于 60 kN,試件基本處于線彈性階段;荷載大于60 kN時(shí),試件開(kāi)始進(jìn)入彈塑性階段;拱試件的破壞形式為失穩(wěn)破壞,破壞時(shí)鋼管壓彎、混凝土壓碎,其破壞荷載達(dá)到了拱身試件的軸壓破壞荷載的76.3%。2)在正常使用荷載(22.63 kN,模擬0.8個(gè)大氣壓荷載)作用下,試件截面的應(yīng)變很小、變形也很小,試件仍處于線彈性階段。根據(jù)相似關(guān)系,實(shí)際結(jié)構(gòu)的單拱在相應(yīng)的條件和荷載作用下,具有足夠的承載力和安全儲(chǔ)備,能夠滿(mǎn)足安全使用的要求。3)根據(jù)CECS 159-2004矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程和等效梁柱法按壓彎構(gòu)件計(jì)算拱模型試件得出其極限軸力應(yīng)控制在891.94 kN,換算成單個(gè)千斤頂荷載為87 kN,當(dāng)荷載加載至87 kN時(shí),拱模型試件已經(jīng)進(jìn)入彈塑性工作區(qū),但持載時(shí)并未出現(xiàn)明顯的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng),因此這時(shí)結(jié)構(gòu)是處于穩(wěn)定的彈塑性區(qū)域,試件在此荷載下是安全的。這說(shuō)明按CECS 159∶2004矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程和等效梁柱法來(lái)設(shè)計(jì)矩形鋼管混凝土拱結(jié)構(gòu)是可行且偏于安全的。4)拱試件的極限承載力為124.9 kN,換算成作用在屋面或外殼上的面荷載為442 kN/m2,相當(dāng)于正常使用荷載(80 kN/m2)的5.5倍。根據(jù)相似關(guān)系,實(shí)際結(jié)構(gòu)的單拱承載力可以達(dá)到在屋面或外殼上的面荷載為442 kN/m2。

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