钢管混凝土收缩变形与钢管混凝土拱收缩应力.pdf

第 3 8卷第 2期 2 0 1 6年 2月 铁 道 学 报 J 0URNAL OF THE CHI NA RAI LWAY S OCI E TY VoI ．3 8 No．2 F e b r u a r y 2 0 1 6 文章 编号 ： 1 0 0 1 — 8 3 6 0 ( 2 0 1 6 ) 0 2 一 O 1 1 2 — 1 2 钢管混凝土收缩变形与钢管混凝土拱收缩应力 陈宝春，赖秀英 ( 福州大学 土 木工程学 院 ，福建 福州 3 5 0 1 0 8 ) 摘 要 ： 钢管混凝土拱桥在我国桥梁 中得到广泛的应用 ， 其 管内混凝 土收缩产 生的收缩应 力是结构 受力 的重要 组成部分 ， 收缩应力计算的关键是收缩变形值 的确定 。以混凝 土强度等 级和粉煤灰 掺量 、 钢管 直径 以及 含钢率 为主要参数 ， 进行 1 1 根钢管混凝土构件 和 2根素混凝土密 闭构件 的收缩试验 。试验结果表 明， 钢管 混凝土 的收 缩变形 ， 随粉煤灰掺量 的增加而下降 ， 随混凝土强度等级的提高 而增大 ， 随含钢率 的增 大而减小 ， 而钢 管直径 对 其影响较小 。应用常用的收缩预测模型对试件 的收缩 预测分 析表 明， AC I 2 0 9 R - 9 2模型 预测精 度较高 ， 可用 于 粉煤灰掺量不大于 2 O ％的钢管混凝土构件 ； 当掺量 大于 2 O 时 ， 预测值偏大 ， 可对现模型进行修 正 ； 而 C E B - F I P MC 7 8和 C E B - F I P MC 9 0模型预测结果明显偏小 。对钢 管混凝土拱 桥 的收缩应力 分析表 明 ， 收缩 自应力 较大 ， 在设计计算中应予以考虑 ； 而 收缩次应力较小 ， 在初步设计 的应 力估算 中可 以忽 略不计 。常用 的混凝 土拱 收缩 作用的等效降温法 ， 因钢管混凝土拱 的收缩变形变化 范围大， 合理降温值确定难度大 ， 且该法无法计 算 比重较大 的收缩 自应力 ， 建议设计计算 时不采用该方法 。 关键词 ： 钢管混凝 土；拱桥 ；收缩 ；试验 ；预测模型 ；应力 中图分类号 ： U4 4 1 ． 5 ； T U3 9 2 ． 3 文献标志码 ： A d o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 - 8 3 6 0 ． 2 0 1 6 ． 0 2 ． 0 l 5 S h r i nk a g e De f o r m a t i o n o f Co n c r e t e Fi l l e d S t e e l Tu b e a n d S hr i n k a g e S t r e s s o f Co n c r e t e Fi l l e d S t e e l Tu bu l a r Ar c h CH EN Ba o c hu n． LAI Xi u y i ng ( Co l l e g e o f Ci v il En g i n e e r i n g， Fu z ho u Uni v e r s i t y， Fu z h o u 3 5 0 1 0 8， Ch i na ) Abs t r a c t ： Con c r e t e f i l l e d s t e e l t ubu 1 a r ( CFST) a r c h b r i dg e s a r e wi d e l y a pp l i e d i n t he br i d ge e n gi ne e r i ng i n Chi — n a ． Shr i nk a g e s t r e s s c a us e d b y t h e s h r i nka ge o f c or e c o nc r e t e i s a n i mpo r t a n t pa r t o f s t r u c t ur e s t r e s s ， a n d t h e de t e r mi na t i o n o f t h e s h r i nk a ge d e f o r m a t i o n v a l ue i s t he ke y i s s ue f or t h e c a l c ul a t i o n of t he s hr i nk a ge s t r e s s ． W i t h s t r e ng t h gr a d e o f c o nc r e t e， c on t e n t o f f l y a s h， a n d s t e e l t ub e di a m e t e r a s we l l a s s t e e l r a t i o a s t he m a i n p a r a m e t e r s， s hr i nk a g e t e s t s o n 1 1 CFST a nd 2 a i r — t i gh t pl a i n c on c r e t e s pe c i m e ns we r e c a r r i e d o ut ． Te s t r e s ul t s s ho we d t ha t t he s hr i n ka g e de f o r m a t i o n o f t he CFS T me m b e r d e c r e a s e d wi t h t he i nc r e a s e o f t he c on t e n t of f l y a s h a nd t he s t e e 1 r a t i o． a n d i n c r e a s e d wi t h t he i nc r e a s e o f t he s t r e n g t h g r a de of t he c o nc r e t e， whi l e i t was l i t t l e a f f e c t e d by t h e di a me t e r o f t he s t e e l t ube ． Pr e d i c t i o n a n a l ys i s o f t he s hr i n ka g e d e f o r ma t i o n o f t he s pe c i me ns by t he c ommon s hr i n ka g e pr e d i c t i o n mo de l s i nd i c a t e d t ha t t he ACI 2 09 R一 9 2 mo d e l wi t h hi gh e r pr e d i c t i o n pr e c i s i on c a n be u s e d t o p r e di c t t he s hr i nk a ge o f CFST me mbe r s wh e n t he c o nt e n t of f l y a s h o f t he c o r e c on c r e t e i s l e s s t ha n 2 0 ． W he n t he c on t e n t of f l y a s h i s gr e a t e r t ha n 2O ， c or r e c t i on of t he mo de l i s r e qu i r e d a s t he pr e di c — t i on v a l ue wo u l d be hi g he r ． Th e p r e di c t i on r e s u l t s by CEB— FI P M C9 0 mod e l a nd CEB— FI P M C7 8 m o d e l we r e s i g ni f i c a n t l y s m a l l e r t ha n t he t e s t e d o ne s ． An a l ys i s o f s h r i nka ge s t r e s s e s of CFS T a r c h br i d ge s s ho we d t ha t t he s hr i nk a ge s e l f — s t r e s s wa s l a r g e a n d s ho ul d be t a k e n i nt o a c c ou nt i n d e s i gn c a l c ul a t i o n， wh e r e a s t he s e c o nd a r y s hr i nka ge s t r e s s wa s s m a l l a n d c o ul d b e i gn or e d i n s t r e s s e s t i m a t i o n d ur i n g p r e l i mi na r y d e s i gn ． The u s e o f e 一 收稿 日期 ：2 0 1 4 — 0 2 — 0 9 ； 修 回日期 ： 2 0 1 4 — 1 2 — 0 1 基金项 目：国家 自然科学基金 ( U1 3 0 5 2 4 5 ) 作者简介 ：陈宝春( 1 9 5 8 一 ) ， 男 ， 福建罗源人 ， 教授 ， 博士 。 E - ma i l ：b a o c h u n e h e n @f z u ． e d u ． c n 第 2期 陈宝春等 ： 钢管混凝土收缩变形与钢管混凝 土拱 收缩 应力 l 1 3 q u i v a l e n t c o o l i n g me t h o d ， c o mmo n l y u s e d f o r c a l c u l a t i o n o f s h r i n k a g e e f f e c t o f c o n c r e t e a r c h。s h o u l d b e d i s — c o u r a g e d i n t h e d e s i g n c a l c u l a t i o n o f s h r i n k a g e e f f e c t o f a CF S T a r c h d u e t o l a r g e v a r i a t i o n r a n g e o f s h r i n k a g e d e f o r ma t i o n，d i f f i c u l t y t o d e t e r mi n e a n e q u i v a l e n t c o o l i n g v a l u e ，a n d i n a b i l i t y t o c a l c u l a t e t h e s h r i n k a g e s e l f - s t r e s s whi c h a c c ou nt s f o r a l a r ge pr o p or t i o n o f t he s hr i nka g e s t r e s s ． Ke y wo r d s： c o nc r e t e f i l l e d s t e e l t ub e； a r c h br i d ge； s hr i nk a ge； e xpe r i m e nt s ； p r e d i c t i on m o de l ； s t r e s s 钢管混凝土拱桥已在我 国公路与城市桥梁 中广泛 应用 ， 近年来在 高速铁路桥梁 中的应用也不 断增 多 。 钢管混凝土作为组合结构 ， 管 内混凝土收缩产生 的应 力是结构设计必须考虑 的问题 。收缩应力包括收缩 自 应力和收缩次应力。钢管混凝土拱肋作 为组合构件 ， 管内混凝土收缩受到钢管的约束 ， 钢管混凝 土构件 的 收缩值小于管 内混凝土的收缩值 ， 根据应变协调条件 ， 将产生钢管受压 、 混凝土受拉的应力称为收缩 自应力 。 对于超静定的钢管混凝土拱 ， 拱肋的收缩会在结构 中 产生 附加内力( 次内力) ， 由收缩次 内力引起的应力称 为收缩次应力。钢管混凝土拱收缩应力计算 的关键是 管 内混凝 土 收缩 量 的确定 。由于管 内混 凝 土处 于密 闭 状态且受钢管约束 ， 其收缩规律与普通混凝土不完 全 相 同 。 国内外 已开展钢管混凝土构件 的收缩变形试验研 究[ ] - 8 3 ， 但试验结果离散性较大， 规律性较差， 由于这些 试验 主要是 因钢 管混 凝 土徐变 试验 需要 排 除收缩 变形 的影响而进行的对 比试验 ， 未对影 响混凝土收缩变形 的因素进行针对性研究。专门针对收缩 问题开展的试 验未见报道 。为此 ， 本文从钢管混凝土拱桥常用配合 比及特殊工作性能的要求 出发 ， 开展 以混凝土强度等 级 、 粉煤灰掺量 、 钢管直径以及含钢率为主要参数的钢 管混凝土收缩变形试验 ， 了解钢管混凝土的收缩特性 ， 为选择合理的收缩预测模型打下基础 。 对于混凝土收缩变形 的计算 ， 文献 [ 9 ] 采用 C E B - F I P MC 7 8 模型 ， 文献[- 1 0 ] 采用 C E B _ F I P MC 9 0模型。 对于钢管混凝土拱桥的收缩变形计算 ， 文献[ 1 1 ， 1 2 ] 均 未作明确规定 ， 但 对于徐 变变 形分别 推荐 采用 AC I 2 0 9 R 一 9 2 模型和 C E B — F I P MC 9 0模型。文献[ 1 3 ] ~ lJ 规 定采用实测值或按文献E l O ] 的规定计算 ， 即采用 C E B - F I P MC9 0 。CEB - FI P MC7 8 、 C EB - FI P MC9 0和 ACI 2 0 9 R 一 9 2同时也是 目前 国际上认可度较高 的 3种收缩 预测模型， 但它们应用于钢 管混凝土收缩变形值 的预 测效果 ， 目前尚未 见深入分析 。为此 ， 本文将 在试验 研究的基础 上 ， 对 这 3种混凝 土 收缩预测 模型进 行 对 比分析 ， 为实 际工程 应用选 择合 适 的计 算模 型提 供参考。 对于混凝土和钢筋混凝土超静定结构 由于收缩变 形引起的次内力 ， 文献[ 9 ] 提出采用等效降温法计算 。 在相当一段时间内， 设计者也多采用等效降温法计算 钢管混凝土拱桥收缩次 内力。文献 [ 1 4 3 的分析表明 ， 等效降温 1 5 ～2 O℃ 的计算结果 明显偏 大， 但 由于缺 乏具体的钢管混凝 土收缩试 验值， 未进行深 入分析。 为此 ， 本文通过对常用管内混凝土收缩应变的计算 ， 对 等效降温法的应用作进一步探讨 。同时， 本文还对收 缩 自应力和某铁路钢管混凝土拱桥 的收缩应力进行算 例分 析 。 1 钢管混凝 土构件收缩试验 1 ． 1 试 件参 数选 择 收缩是混凝土在无荷载作用下随时间而产生 的变 形 ， 是混凝土本身的属性 ， 它主要 由化学收缩 ( 自收缩) 和干缩组成。钢管混凝土中的核心混凝土处于密闭环 境 ， 没有与外界发生水 分交换 ， 相 当于保水养护 ， 因此 只有 自收缩变形 ， 没有干缩或干缩q l~ ／ l , 可以忽略 。 影响混凝土收缩的因素主要有养护条件、 水灰比、 水泥浆用量 、 水泥的品种等。在养护条件方面 ， 管内混 凝土属密闭养护 ， 但边界受钢管 的约束。研究表明 ， 暴 露在大气环境中的普通混凝土水分扩散与构件的截面 尺寸关系较大 ， 截面尺寸越大， 水分扩散越慢， 干缩值 越小 ； 反之亦然 。钢管混凝土截面尺寸对管 内混凝土 收缩的影响， 现有研究没有定论 。文献[ 1 ] 对两个试件 的测试结果表明钢管混凝土构件的收缩变形与直径成 反 比。文献[ 2 ] 试验研究结果表 明收缩值与构件 的尺 寸关系不大。本文将钢 管直径作为一个参数 ， 对此问 题作进一步探讨 。同时， 钢管混凝土 的收缩 与含钢率 有关 ， 钢管管径与壁厚的变化影响含钢率 ， 本文将含钢 率作为一个参数来研究 。 钢管混凝土拱肋管内混凝土的强度一般为 C 3 0 ～ C 6 0 ， C 4 0和 C 5 0居多 。管内混凝 土的浇注常采用泵 送法 ， 要求混凝土坍落度大 、 和易性好 ， 且不泌水不离 析。为同时达到强度与施工性能要求 ， 一般通过 添加 外加剂和矿物掺合料 ( 如粉煤 灰) 来实现口 引。本试验 以混凝土强度和粉煤灰掺量为 混凝 土材料 的主要参 数 ， 考虑水灰比、 水泥浆用量对收缩的影响。钢管混凝 土拱桥一般采用硅酸盐水泥 ， 故本文没有将水泥 品种 作为参数分析。 铁 道 学 报 第 3 8 卷 I ． 2试 件设 计 钢管混凝土拱桥 采用 的钢 管直径 一般 在 6 0 0 ～ 1 3 0 0 mm 之间， 最常用 的是 1 0 0 0 mm。考虑到试 验 条件， 本试验 中的钢管直径范围定为 1 6 5 ～1 0 0 0 mm， 除直径 6 0 0 mm 和 1 0 0 0 mm 的钢管 壁厚 为 8 mm 外 ， 其余均为 2 mm， 钢管长度为 6 0 0 mm。含钢率的变化 范 围 为 0 ． O 3 0 ～0 ． 0 5 6 。 考虑混凝土强度等级 和粉煤灰掺量 2个参数 ， 管 内混凝土共设计了 7组配合 比 M1 ～M7 ， 其 中 MI设 计强度等级为 C 4 0 ， M2为 C 6 0 ， M3 ～M7为 C 5 0并加 入粉煤灰掺量参数( 粉煤灰掺量 0 ％～4 O ) 。根据工 程经验 和规范要 求， 管 内混凝 土入泵时坍 落度宜 为 2 0 0 ~ - 2 6 0 mm， 水胶 比不宜超过 0 ． 3 5 ， 设计 时管 内混 凝土配 合 比取坍 落度 2 3 0 mm， 水 胶 比 0 ． 2 9 ～0 ． 4 1 ( MI配合 比在满足坍落度和强度要求后 ， 水胶 比稍超 过 0 ． 3 5 ， 其余均小于 0 ． 3 5 ) 。混凝土采用的材料 ： 福建 炼石牌 P ． O 4 2 5普通硅酸盐水泥 ； 花 岗岩碎 石， 最大 粒径 3 0 mm； 闽江河沙； I I 级粉煤灰 ； 福州创先工程材 料有限公 司 C X - 8聚羧 酸减水 剂， 减水率 2 5 。7组 混凝土配合比及其性能见表 1 。 本试验共设计钢管混凝土收缩试件 1 1 个 ， 根据主 要参数钢管直径( 含钢率) 、 混凝土强度和粉煤 灰掺量 分为 3组 ； 另设计一组共 2个 ( 参数相 同) 的素 混凝土 对比试件 。试件按组别 、 钢管直径 、 混凝土强度和粉煤 灰掺量进行编号， S为钢管混凝土试件 、 P为素混凝土 试件 ； S 1以钢 管直径 为参数 ， S 2以混凝 土强度 为参 数 ， S 3以粉煤灰掺量为参数， 如 s 1 一 D2 一 C 5 0 一 1 0试件是 第 1组钢管混凝土试件 、 钢管直径 为2 i 9 mm、 混凝 土 强度等级为 C 5 0 、 粉煤灰掺量为 1 O ％。试件主要参数 见表 2 。 表 l混凝土配合比 表 2 钢管混凝土收缩试 件参数一览表 第 2 期 陈宝春等 ： 钢管混凝土收缩变形与钢管混凝土拱 收缩应力 1 ． 3 试 件制 作与 测试 装置 对于钢管混凝土试件 ， 按要求的长度 和外直径加 工空钢管及两端钢盖板 ， 在浇注混凝土之前先将一端 的盖板焊接 ， 另一端待混凝土浇注完成且体积较稳定 后再焊接 。对于素混凝土试件， 由于要测量密 闭环境 下的收缩变形 ， 在模板 内侧铺有隔水塑料薄膜 ， 混凝土 浇注成形拆模后在薄膜外侧涂上石蜡保持混凝土处于 密 闭状态 。 为消除温度影响 ， 将试件置于专用的密闭实验室 内， 通过 自动控温系统控制环境温度为( 2 4 1 ) ℃ 。由 于所有试件的混凝土均处于密闭环境， 环境湿度 的影 响较小 ， 故未对环境湿度进行控制 。 图 1 部 分试 验构件照片 钢管混凝土 的纵 向收缩 变形测试装 置如 图 2所 示 。在钢管侧面对称位置预 留了 6 个( 每侧 3 个) 直径 1 5 mm 的孔， 长 1 0 0 mm、 一端开 8 mm孑 L 的钢棒穿过 预留孔 ， 未开孔端埋置于混凝土中 ， 直径 6 mm 的刚性 钢杆穿过外部端 8 mm 的孔。带孑 L 钢棒外部端配有螺 纹和螺丝杆 ， 用于固定千分表和刚性钢杆 。试验测试 原理为 ： 采用千分表测量钢管混凝土构件纵向两个螺 丝杆 的相对变形 ， 此相对 变形与其初始间距的比值 即 为钢管混凝土构件的收缩应变 。 图 2 钢管混凝 土试件收缩变形试验装置 图 测量 装置 安装 在 混凝 土 终凝 前 完 成 ， 埋 置 带 孑 L 钢 棒时严格进行几何对 中并与试件轴线垂直 ， 旋 紧螺丝 杆卡紧刚性钢杆和千分表 ， 使千分表下部端头与刚性 钢杆上部端头稳定接触 ， 然后记录千分表的初始读数。 装置安装完毕后 ， 测量两螺丝杆的初始间距。 1 ． 4 试 验 总体 情况 图 3为全 部 钢管混 凝 土构件 的收缩 实测 曲线 。从 图 3可以看出， 所有试件收缩有相似的发展规律 ， 但数 值并不相 同。试验共进行 了 1 8 0 d ， 收缩在 6 0 d以前 发 展较 快 ， 6 0 d时达 到 了 1 8 0 d总收 缩 应变 的 7 5 以 上， 在此之后收缩应变增长相对缓慢 ， 1 0 0 d时达到总 收缩应变的 9 0 ％以上 ， 随后 应变曲线渐趋水平 ， 应变 增长趋 于稳 定 。 l。 2 4 0 X 1 8 0 1 2 0 +S1 - D1 - C5 o _ 1 0 +S1 - D2 - C5 0 - 1 0 — ▲一 S1 - D3- C5o ． 1 0 —’ Sl - D4 ． C5 0- l O +S1 - D5- C5 o - 1 O — 一S 2． Dl - C4 0- l O — 一 S 2 - D1 - C6o ． 1 0 - ★一 S 3- Dl — C5 0- O - -o - S 3 - Dl - C 5 0 - 2 O — ★一S 3 Dl — C 5 o _ 3 0 — ● 一 S 3 - Dl - C5 O． 4 0 0 4 0 8 0 1 2 0 1 6 0 2 0 0 时间 ， d 图 3 全部钢管混凝土构件收缩实测值 由图 4可见 ， 钢管混凝土构件与密 闭素混凝土构 件的收缩应变规律相似 ， 但钢管混凝 土构件收缩小 于 后者。钢管混凝土构件 1 8 0 d的收缩应变值比素混凝 土 构件 小 2 2 ． 8 ， 钢管混 凝土 构件 的 6 0 d和 1 0 0 d收 缩值分别为总收缩值的 7 6 ． 9 和 9 O ． 1 ， 而素混凝土 构件对应比例分别为 8 O ． 2 和 9 1 ． 9 ， 即钢管混凝土 构件的早期收缩增长速度较素混凝土慢 。 l。 ＼ 进 婚 时间 ／ d 图 4 钢管混凝土 与素混凝 土实测 收缩 曲线 的比较 1 ． 5 试 验 结果 参数分 析 I ． 5 ． 1 钢管混凝土构件收缩计算 如 图 5所示 ， 对 于一端 固结 、 一端 自由的钢 管混凝 土构件 ， 假定钢管与核心混凝土完全黏结 ， 在混凝土 自 由( 或无约束) 收缩变形 △ 作用下 ， 钢管混凝土将产生 △ 的收缩变形 ， 根据截面应变协调条件 ， 由力 的平衡 原 理∑N一 0 可 知 E cA 一 E sA 譬( 1 ) A 一 Ee Ae A。 (2) 式 中： △ 为混凝 土在无约束状态下 的 自由收缩 变形 ； △ 为钢管混凝土 的收缩变形 ； L为构件计算长度 ； E 铁 道 学 报 第 3 8卷 为钢材弹性模量 ； E 为混凝土弹性模量 ； A 为钢管混 凝土单圆管钢管截面面积； A 为钢管混凝土单圆管混 凝土截面面积 。 图 5 钢管混凝土收缩变形示意 由式 (2) 可计算考虑钢管混凝土构件 的收缩应 变 ， 见式 (3) 。 E A ⋯ 。 s c 一 干 。 c E A +E A ⋯ 式 中： e 。 为混凝土的收缩应变 为钢管混凝土的收缩 应 变 。 对于超静定结构 ， 构件的收缩变形或收缩应变将 在结构中产生收缩次 内力， 对应的是截面上 的收缩次 应力 。 钢管混凝土作为组合构件在截面上存在收缩 自应 力 。如图 5 所示 ， 钢管受到的约束变形 △ 与钢管混凝 土构件的变形 △ 。 相同， 管 内混凝土受到的约束变形为 混凝土 自由变形减去钢管混凝土变形 ， 即 △ 一△⋯ 据 此 ， 可按式(4) 和式 (5) 计算截面收缩 自应力 ， 其中 管内混凝土受拉 ， 钢管受压 。 s h ． 一 竺 E (4) O s h, s ： == LE (5) 式中 ： ， 为收缩 引起 的核心混凝土拉应力 ； ， 为收 缩引起的钢管压应力 。 从 上述 分析 可知 ， 无 论 是 收 缩 次应 力 还 是 收 缩 自 应力 ， 都与钢管混凝土的收缩变形或应变有关 。更进 一 步， 由式 (2) 可知， 它们都 与管 内混凝 土的 自由收 缩值 、 钢管与管内混凝土的相对刚度有关 。 1 ． 5 ． 2 粉煤灰掺■ 粉煤灰掺量是管内混凝土 自由收缩值的主要影响 因素之一。图 6为粉煤灰掺量对钢管混凝土收缩应变 值影响的试验结果对 比。由图 6 ( a ) 可知， 钢管混凝土 收缩应变随着粉煤灰掺量的增加而减小。由于粉煤灰 可替代部分水泥 ， 随着粉煤灰掺量的提高 ， 水泥用量减 少 ， 早期混凝土的硬化速度降低 ， 相对减小 了内部 自干 燥量 ， 即减少了混凝土的收缩。 图 6 ( b ) 1 8 0 d收缩应变显示 ， 粉煤灰掺量与收缩 应变的关系基本呈线性变化 ， 即随着粉煤灰掺量 的增 加 ， 收缩应变线性下降， 以掺量 0 为基准 ， 粉煤灰掺 量 1 0 ％、 2 0 ％、 3 O 和 4 O ％的收缩应变分别较其 减少 6 ． 1 、 1 6 ． 4 ％、 2 5 ． 5 和 3 4 ． 5 ％。 l。 ＼ 好 8 O 2 0 6 0 0 4 0 8 O 1 2 O 1 6 0 2 0 0 时间 ， d ( a ) 过程曲线 l。 ＼ ．1争 c 嫖 0 1 0 2 0 3 0 4 0 粉煤灰掺量 ／ ％ ( b ) 收缩值一 粉煤灰 掺量关 系曲线 图 6 粉煤灰掺量对 钢管混凝 土收缩的影响 1 ． 5 ． 3混凝土强度等级 混凝土强度等级不同， 配合 比不同， 将影响管 内混 凝土的 自由收缩值 。图 7为不同强度等级钢管混凝 土 收缩结果对比。由图 7 ( a ) 可 以看出， 随着混凝土强度 等级的提高， 钢管混凝 土收缩应变增 大。这是由于混 凝土强度越高 ， 水胶 比越低 ， 混凝土中胶凝材料越多 ， 水化需要的水分增多， 但混凝 土中可用于参与水化反 应的水分却减少了， 从而导致管 内混凝土的 自干燥现 象加 剧 ， 增 大 了混凝 土 的收 缩应 变 。从 图 7 ( b ) 不 同 龄 期 收缩应 变与 混凝 土 强度 等 级 的关 系 可 以看 出 ， 随着 混凝土强度等级的提高， 钢管混凝土的收缩基本呈线 性增 长 ； 1 8 0 d收 缩 应变 ， C 6 0混 凝 土 收缩 较 C 5 0增 大 1 0 ． 5 ， C 5 O较 C 4 O增 大 2 1 ． 6 ， C 6 O较 C 4 O增 大 3 4 ． 4 9 ／ 6 。 l。 ＼ 趟 婚 ( a ) 过程 曲线 第 2期 陈宝春 等 ： 钢管混凝土收缩变形 与钢 管混凝 土拱收缩应力 1 1 7 l。 一 、 1 争 《 婚 ( b ) 收缩值一 混凝 土强度 等级关 系曲线 图 7 混凝土强度 等级对 钢管混凝土收缩的影响 1 ． 5 ． 4管径与含钢率 图 8 ( a ) 为第一组不同管径试件的收缩 曲线 ， 曲线 始端几乎重合 ， 总收缩量稍有不 同。图 8 ( b ) 为 1 8 0 d 的收缩值( 括号外) 与管径 ( 括号内) 的对应关系 。比较 可知 ， 各 试 件 1 8 0 d的 收缩 值 稍有 差 异 ， 应 变 值 为 ( 1 4 7 ～1 6 7 ) 1 0 ～， 最大差值为 1 2 ； 管径 的最大差 值达 6倍 ， 收缩应变与管径没有明确关系 ， 即可 以不考 虑管径的影响， 与文献 [ 2 ] 的结论一致。同时 ， 这也表 明钢管混凝土收缩 的尺寸效应不 明显 ， 本文进行 的试 验结果可推广到管径较大的实际工程应用 中。 b x 1 8 0 髫l 2 o 嫌 ， b 一 、 嫖 々 宝 +Sl - D1 ． C5 o ． 1 O 十S1 ． D4 - C5 o - 1 O —- 一 Sl — D2 ． C5 0 - l 0 — - 一 S1 ． D5 4 2 5 0 - l 0 — ● 一 S1 一 D3 - C5 0 - l 0 8 0 1 2 0 l 6 0 20 0 时间 ， d ( a ) 过程曲线 ( b ) 1 8 0 d收缩应 变一 管径关系曲线 图 8 钢管直径对钢管混凝 土收缩应 变的影响 含钢率是钢管混凝土构件 的重要指标 ， 从钢管和 管内混凝土的相对刚度来说 ， 含钢率 比管径更能反映 对收缩的影响。由图 9可以看 出， 含钢率与收缩应变 呈较明显的线性关系， 随着含钢率的增大， 实测钢管混 凝土收缩应变减少 。为解 释这一现象 ， 令 a —A。 ／ A ， n =E ／ E ， 则式 (3) 可以转化为 e 。 一 (6) a ‘ 十1 式中： a 为截面含钢率 ； 为钢管与核心混凝土弹性模 量 比 。 l。 ＼ 翅 婚 赛 截面含钢率 图 9 截面含钢率对钢管混凝土收缩应变的影响 由式(6) 可知， 当核心混凝土 的 自由收缩 、 钢 与 核心混凝土弹性模量 比一定时 ， 随着含钢率 的增大 ， 钢 管对管 内混凝土 自由收缩的约束效应增大 ， 钢管混凝 土的 收缩应 变减 小 。 2 钢管混凝土收缩预测模型 2 ． 1 密闭素混凝土收缩预测模型 由上文可知， 钢管混凝 土的收缩与管 内混凝土的 自由收缩关系密切 。本节通过选取 目前常用的 3 种普 通混凝土收缩模型与密闭素混凝土试件收缩试验结果 进行对比， 选择合适 的收缩预测模 型。这 3种模型 即 C E B - F I P MC 7 8模 型、 C E B — F I P MC 9 0模 型 和 AC I 2 0 9 R - 9 2 模型， 本文不作详细介绍， 分别参见文献[ 1 6 ] 、 文献[ 1 0 ] 和文献[ 1 7 ] 。 本试验第Ⅳ组构件为素混凝土密闭构件的收缩试 验 。将 3种模型考虑 的各种参数如环境相对湿度 、 混 凝土强度、 水泥含量、 构件理论厚度等分别代入相关计 算公 式 ， 得 到 C E B ． F I P MC 7 8模 型 、 C E B - F I P MC 9 0 模型和 AC I 2 0 9 R - 9 2模型预测的 1 8 0 d收缩应变分别 为 3 3 i 0 一、 1 0 3 1 0 和 1 9 8 1 0 ～， 与实测值 比值 分别为 0 ． 1 7 、 0 ． 5 2和 1 ． 0 1 ， AC I 2 o 9 R - 9 2模型预测最 接近实测值 ， C E B - F I P MC 9 0次之， C E B - F I P MC 7 8 最 差 ， 后两个模型预测值均偏低 。 图 l 0是三种模型的预测 曲线与收缩应变实测曲 线 ， 从图 1 O可 以看出， AC I 2 0 9 R - 9 2模 型预测结果最 好 ， 1 8 0 d收缩 实 测 值 与 预测 值 的判 定 系 数 R。为 0 ． 9 8 9 ， 接近 1 。 2 ． 2 钢管混凝土收缩预测模型 应用 3种收缩 预测模型计算 l 1 个钢管混凝土试 1 1 8 铁 道 学 报 第 3 8卷 件 的收缩应 变值 。计算 时， 各影 响参数 按照 实际取 值 。考 虑核 心 混 凝 土 处 于 密 闭 环 境 ， 环 境 相 对 湿 度 取 9 O 。AC I 2 0 9 R 一 9 2模 型 中， 密 闭环 境核 心混凝 土的收缩变形与构 件尺 寸无关 ， 构件 尺寸影 响 系数 ) ， 取 1 ． 0 。C E B - F I P MC 9 0模 型 与 C E B - F I P MC 7 8 模型 中考虑构件 尺寸效 应 ， 构 件理论 厚度按 实 际取 值 。将计算所 得 的混 凝土收缩 应变值 代入式 (3) ， 求得 3种模型预测的 1 8 0 d钢管混凝土构件 收缩应 变值 ， 将其与实测的收缩应 变值对 比， 计算结果 列于 表 3 。 3 0 0 2 5 0 2 0 0 餐 1 5 0 篓 l 0 0 5 0 0 4 O 8 O 1 2 0 1 6 0 2 0 0 时间 ／ d 图 1 O 素混凝 土构件 收缩实测值 与模 型计算值 比较 表 3钢管混凝土试件 1 8 0 d收缩应变预测值与 实测值 比值一览表 序号 组号 编号 实测值 预测值与实测值比值 ( 1 0 ) A CI 2 0 9 R 一 9 2 C E B - F I P MC 9 0 C E B - F I P MC 7 8 修正 AC I 2 0 9 R 一 9 2 5 S1 一 D5 一 C5 O 一 1 0 1 6 7 1 ． 0 0 0 0 ．1 1 4 0 ． 0 3 4 0 ． 9 7 6 8 S 3 一 D1 一 C5 0 — 0 1 6 5 0 ． 9 8 1 0 ． 4 8 5 0 ． 1 5 5 1 ． 0 0 6 9 S 3 一 D1 一 C5 0 — 2 O 1 3 8 1 ． 0 9 4 0 ．5 8 0 0 ． 1 8 5 1 ． 01 0 Ⅲ 1 0 S 3 一 D1 一 C5 0 — 3 0 1 2 3 1 ． 1 6 3 0 ．6 5 0 0 ． 2 O 7 1 ． 01 3 1 1 S 3 一 Dl — C5 0 — 4 0 1 0 8 1 ． 2 1 4 0 ．7 41 0 ． 2 3 6 0 ． 99 2 从表 3最后两行的统计分析可知， 与密闭素混凝 土收缩的预测值相似 ， 3个模 型对钢管混凝土试件收 缩 的预测值与实测值对比中， AC I 2 0 9 R 一 9 2吻合最好 ， C E B - F I P MC 9 0次 之 ， C E B — F I P MC 7 8 最 差 。 从 前 文 可 知 ，