周國紅

(遼寧省交通規(guī)劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)

0 引言

鋼管混凝土是將混凝土填充到鋼管內(nèi)而形成的一種新型結構，充分發(fā)揮了鋼材和混凝土兩者各自的優(yōu)勢，增大了其工程應用范圍。近些年來，鋼管混凝土結構在高層建筑物、大型基礎施工及跨越度較大的結構工程中得到了十分廣泛的應用。在鋼管混凝土結構中，核心混凝土的物理、化學、力學特性對整個結構在工程應用中的正常運行起著至關重要的作用。玻璃纖維混凝土的研究和應用目前在土木建筑工程施工領域中也備受青睞，并得到了迅速的推廣。開展了鋼管AR玻璃纖維混凝土柱受壓力學性能試驗，采用一種新的混凝土原料配比方法，即按鋼管試件所能容納的混凝土體積量的百分比進行AR玻璃纖維的配比計算，并利用外摻法將玻璃纖維摻入混凝土中；同時，對某些物理力學參數(shù)進行控制，對鋼管混凝土試件進行養(yǎng)護等一系列處理，以期達到更好的強度、剛度等力學性能效果。

1 鋼管玻璃纖維混凝土柱受壓試驗

1.1 試件制作

此試驗共制作了18根圓形鋼管玻璃纖維混凝土短柱和12根圓形鋼管混凝土短柱試件(其具體制作工藝流程見圖1)。圓形鋼管試件截面尺寸大小均為：直徑D=120mm、高度H=400mm、厚度t=4mm。鋼管采用熱軋無縫焊接管，3號鋼，按試件尺寸規(guī)格制作出空鋼管，鋼管兩端截面要保證平整，鋼管上下兩端均設有邊長為136mm且厚度為8mm的方形鋼板蓋板。

圖1 纖維混凝土制作工藝流程

根據(jù)纖維混凝土的配合比規(guī)范地將纖維混凝土澆注到預先準備好的圓形鋼管試件中，在澆注之前先將試件一端用方形蓋板焊接，另一端待纖維混凝土澆注之后再焊接，焊接采取對接焊接并要達到與母材等強度的要求；要對纖維混凝土進行反復多次攪拌，使原料充分均勻地混合在一起，且每次攪拌量不宜過大；在澆注纖維混凝土的過程中，每次澆注量應適當，并且用振搗棒進行振搗，使纖維混凝土與管壁或蓋板緊密接觸。經(jīng)過標準養(yǎng)護條件(養(yǎng)護溫度為20℃±2℃、相對濕度在95%以上、養(yǎng)護齡期為28d)之后，最終選取其中養(yǎng)護效果較佳的12根圓形鋼管玻璃纖維混凝土短柱和4根圓形鋼管混凝土短柱試件進行力學性能試驗。

1.2 混凝土配合比設計

此試驗采用的纖維混凝土制作原材料有：早強普通硅酸鹽水泥(即PO.42.5R)，自來水，粒徑為5～20mm的碎石，細度模數(shù)為2.7的中砂，外加劑為早強減水(GB 8076—1997)，混凝土膨脹劑，AR玻璃纖維。

對16根短柱試件進行編號：鋼管混凝土短柱試件編號為#0、#1、#2、#3，而其余12根鋼管玻璃纖維短柱試件分別編號為#4～#15。計算鋼管試件所能容納的混凝土體積量得V=0.0045216m3，編號為#4～#15的試件按前述體積量分別以百分比為0.5%、1.0%、1.2%、1.5%、1.8%、2.0%、2.5%、2.8%、3.0%、3.5%、4.0%、5.0%摻入玻璃纖維，且事先由土工試驗測得玻璃纖維堆積密度為0.385×103kg·m-3，由此可計算出編號為#4～#15的試件AR玻璃纖維摻入量(精確到0.01)見表1。編號為#0～#3的試件未摻入AR玻璃纖維。其中混凝土膨脹劑和粉煤灰分別按水泥質(zhì)量的8.0%和7.5%進行配比?；炷疗渌吓浜媳仍斠姳?。

表1 AR玻璃纖維摻入量

表2 混凝土其他原料配合比

1.3 試件軸心受壓試驗

將編號為#0～#15的16根試件依次平穩(wěn)地擱置在試驗壓力機的上下承壓板之間，正確連接應變計、位移計和數(shù)據(jù)采集儀等設備進行軸心受壓試驗。試驗裝置簡圖見圖2。

圖2 試驗裝置簡圖

對試件進行預加載，預加壓荷載約為預估計極限荷載Pu的20%，待試件幾何對中之后，卸載一小段時間。當試件處于靜止平穩(wěn)狀態(tài)后，設置加壓荷載大小，逐級加壓，在預估計極限荷載Pu的65%之前，每一級加載大小為0.15Pu；當達到預估計極限荷Pu的65%時，每一級加壓大小為0.1Pu；且每一級荷載加壓時間持續(xù)在2.5min左右；待臨近極限荷載時，減緩加壓，但要保持加壓的連續(xù)性；當試件發(fā)生顯著的變形、焊縫呈現(xiàn)破壞趨勢、鋼管出現(xiàn)凸起彎曲時停止加壓。

2 試驗結果與分析

2.1 AR玻璃纖維摻入量最優(yōu)體積率判定

此試驗中混凝土設計強度值為40MPa，試件經(jīng)過28d齡期養(yǎng)護之后，進行受壓試驗得到AR玻璃纖維含量不同的16根試件的軸心抗壓強度實測值見表3。

表3 AR玻璃纖維摻量不同的試件軸心抗壓強度實測值

根據(jù)表3的試驗結果數(shù)據(jù)可以直觀地看出未摻入AR玻璃纖維的試件進行受壓試驗后，試件軸心受壓實測強度值波動并不大，平均強度值為71.025MPa，強度較試件預估計極限荷載值均有所增長，強度變化率均值為+18.375%，符合一般規(guī)律。

對于摻有AR玻璃纖維的試件而言，當AR玻璃纖維體積率約大于3.0%后，試件實測強度值與設計強度值相比出現(xiàn)了負增長，表明此纖維摻量抑制了試件承壓性能；而當AR玻璃纖維體積率在1.8%～2.8%范圍內(nèi)時，試件承壓實測強度呈現(xiàn)突變狀態(tài)，強度變化率均值為+10.5%，表明此纖維摻入體積率對試件承壓性能有促進和提高作用，是配制圓形鋼管AR玻璃纖維混凝土柱的最優(yōu)體積率。

2.2 普通鋼管混凝土柱與鋼管玻璃纖維混凝土柱的受力性能對比分析

選取具有代表性的試件編號為#0的普通鋼管混凝土柱和試件編號為#7、#10、#11和#15的鋼管AR玻璃纖維混凝土柱進行受力機理分析。各個受壓試件的荷載—位移關系曲線見圖3；各個受壓試件鋼管外壁荷載—豎向、切向及徑向應變關系曲線分別見圖4、圖5和圖6。

圖3 試件荷載—位移關系曲線

由圖3試件荷載和位移關系曲線可以看出，當加壓至極限荷載時，編號為#0的普通鋼管混凝土柱的位移遠大于編號為#7、#10、#11的鋼管AR玻璃纖維混凝土柱，雖然#0試件的承載能力高于#7、#10、#11試件，但是#0試件并不是最優(yōu)選擇。在編號為#7、#10、#11試件中，三者達到極限承載力時的位移十分接近，但相比之下，#10、#11試件的承載能力要高于#7試件，其對應的AR玻璃纖維摻量體積率約為1.8%～2.8%，適宜于實際工程。而就#15試件而言，其極限荷載低，而且達到極限荷載時，位移已經(jīng)非常大，這是由纖維摻量過大而削弱了核心混凝土本身的性能造成的，工程中不宜采用。另外，相對于普通鋼管混凝土柱而言，AR玻璃纖維摻量體積率約為1.8%～2.8%的鋼管AR玻璃纖維混凝土柱的極限荷載仍可提高約7.8%～8.2%，在實際施工中可作為結構構件的安全儲備或適當考慮提高承載力。

圖4 試件鋼管外壁荷載—豎向應變值關系曲線

圖5 試件鋼管外壁荷載—切向應變值關系曲線

圖6 試件鋼管外壁荷載—徑向應變值關系曲線

根據(jù)圖4、圖5和圖6各關系曲線分析可知：加壓荷載在200kN范圍以內(nèi)時，無論是普通鋼管混凝土柱還是鋼管AR玻璃纖維混凝土柱的鋼管外壁豎向應變值、切向應變值和徑向應變值均與加壓荷載基本上保持為直線關系，尤其是徑向應變值更為顯著，各個試件在加壓荷載約為100kN時開始正常工作；當加壓荷載約大于200kN之后，豎向、切向和徑向應變值與荷載的關系不再是簡單的趨近于直線關系了，斜率波動并不平穩(wěn)，甚至有時變化還比較突出，隨著加壓荷載的逐漸增大，幾乎由鋼管預先單獨承受荷載直至鋼管被壓縮到與混凝土平齊，鋼管內(nèi)混凝土與管壁內(nèi)側接觸變得更為緊密，混凝土和鋼管組合成的試件性能得到充分的體現(xiàn)；編號為#0的普通混凝土柱承載能力變化規(guī)律符合一般規(guī)律，編號為#10和#11試件(AR玻璃纖維摻量體積率約為1.8%～2.8%)各個方向的應變值變化規(guī)律近似，且試件破壞現(xiàn)象甚微，穩(wěn)定性和剛度性能良好，而編號為#15試件各個方向的應變值變化區(qū)別較大，達到承載極限時應變值顯著，鋼管焊接處焊縫產(chǎn)生撕裂，鋼管壁多處發(fā)生明顯的鼓曲現(xiàn)象。

2.3 試件極限荷載分析

將試驗實測的試件受壓強度結果數(shù)據(jù)擬合成試件的極限荷載—AR玻璃纖維摻量體積率關系曲線見圖7。

圖7 試件極限荷載—AR玻璃纖維摻量體積率關系曲線

分析圖7關系曲線可知：曲線中出現(xiàn)3個相對平緩的階段，此時的AR玻璃纖維摻量體積率分別約為0～0.5%、1.0%～1.5%和1.8%～2.8%， 當體積率約大于3.2%時曲線斜率變化突出，極限荷載出現(xiàn)下降趨勢，并隨著體積率的增加極限荷載下降更為明顯，不過，下降速率較為平穩(wěn)；體積率約在1.8%～2.8%時，破壞荷載比較接近，且?guī)缀蹙笥谄渌麚饺階R玻璃纖維試件的極限荷載。這表明，摻入適量的AR玻璃纖維有利于提高試件的極限破壞荷載，但AR玻璃纖維摻量過大則會影響核心混凝土本身的強度和彈性模量，致使整根鋼管混凝土的破壞極限荷載降低。

3 結論

鋼管混凝土結構在土木工程領域中的廣泛應用為鋼管纖維混凝土結構的誕生奠定了基礎，并在前者的研究和應用背景下，對于鋼管纖維混凝土結構的進一步探索提供了理論知識分析和實際工程經(jīng)驗?；谠谥耙延械难芯炕A條件下，開展了普通鋼管混凝土柱和鋼管AR玻璃纖維混凝土柱軸心受壓試驗，著重研究了在配制鋼管混凝土時AR玻璃纖維的摻入量對整個鋼管混凝土結構力學性能的影響作用，同時也對各AR玻璃纖維配比條件下試件的受力機理和極限承載能力進行了分析，最終確定了AR玻璃纖維摻入量最優(yōu)體積率范圍。研究表明：適量的AR玻璃纖維摻入量對核心混凝土的力學性能有積極的影響作用，摻入量過少時與核心混凝土性能幾乎相近，但摻入量過大時反而會降低鋼管混凝土結構的承壓性能；對于AR玻璃纖維摻入量適中的情況，鋼管混凝土結構的極限荷載仍可提高約7.8%～8.2%，在實際工程中應給予重視；通過試驗研究分析最終確定的AR玻璃纖維摻入量最優(yōu)體積率約在1.8%～2.8%以內(nèi)，但較為保守，仍需要進行大量的試驗研究以使其更加精確，完善和豐富現(xiàn)有理論。