高刚度钢管混凝土的性能研究.pdf

2 0 1 2 年 第 5期 (总 第 2 7 1期 ) Nu mb e r 5 i n 2 0 1 2 ( T o t a l N o 2 7 1 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THE ORErI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 2 0 5 0 1 5 高刚度钢管混凝土的性能研究 黄 民元 ( 中南林业科技大学 土木工程与力学学 院，湖南 长沙 4 1 0 0 0 4 ) 摘要： 通过 A n s y s 有限元模型， 以钢管混凝土结构为研究对象， 对钢管混凝土刚度的影响因素进行了研究。 主要内容如下 ： 钢管混凝土 刚度的大小， 对结构力学性能的影响比较敏锐， 要避免刚度削弱所带的工程危害； 对钢管混凝土结构刚度的保障， 提出了“ 强、 流、 密” 的原 则 ， 即： 高强度 的外部钢管 ， 以及 高流动 、 高密实的 内在 自密实混凝土等 ， 并提 出了一些具有参考性的工程建议 。 关键词 ： 钢管混凝土；高刚度；刚度削弱；高流动；高密实；自密实混凝土 中图分类号 ： T U5 2 8 5 9 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 0 5 0 0 4 7 0 3 P r oper t ies r e se a r c h of t he h i gh s t i ffne s s c onc r e t e f i l l e d s t ee l t u bul ar HUANG M i n - ma n ( S c h o o l o f Civ i l E n g i n e e ri n g a n d Me c h a n i c s ， C e n t r a l S o u t h Un i v e r s i t y o f F o r e s t r y a n d T e c h n o l o g y ， C h ang s h a 4 1 0 0 0 4 ， C h i n a ) A b s t r a c t ： T h r o u g h t h e A n s y s fi n h e e l e me n t mo d e l ， w i t h the c o n c r e t e fi l l e d s t e e l t u b u l a r s t r u c t u r e a s the r e s e a r c h o b j e c t ， the i n fl u e n c i n g f a c t o r o f t he c o n c r e t e fil l e d s t e e l t u b u l ar s t i f f n e s s i s s tud i e d T he p rim a r y c o n t e n t s a r e a s f ol l o ws ： t h e s t i f fne s s s i z e o f t h e c o n c r e t e fil l e d s t e e l tub u l a r i s q u i t e k e e n t o the s t r u c t u r e me c h a n i c s p e rf o r ma n c e 。S i n fl u e n c e ， we mu s t a v o i d the p r o j e c t h a r m o f t h e s t i f fn e s s we a k e n； T o the c o n c r e t e fi l l e d s t e e l tub u l a r i n s t i f f n e s s s a f e g u ard ， t h e p ri n c i p l e s are p r o p o s e d in“ s tr o n g ， fl u i d ， d e n s e ” ， n a me l y ： h i g h s t r e n g t h e x t e ri o r s t e e l p i p e ， a s w e l l as h i gh fl o wi n g a n d h i【gh d e n s i t y o f i n t e rna l s e l f c o mp a c t i n g c o n c r e t e e t c ， and s o me r e f e r e n t i a l s u g g e s t i o n i n e n g i n e e r i n g a r e p r o p o s e d K e y wo r d s ： c o n c r e t e fi l l e d s t e e l tub u l a r ； h i 曲 s t i f f n e s s ； s t i ff n e s s we a k e n ； h i g h fl o w i n g； h i gh d e n s i t y ； s e l f c o mp a c t i n g c o n c r e t e 0 引言 钢管混凝土( c F s T ) 结构， 是由钢和混凝土两种材料构成的极 具优势的组合型式。 钢管混凝土的脱空问题， 一直是影响结构刚度 的关键因素。 尤其在温度作用、 收缩及徐变的影响下， 钢管与混凝 土之间的协同作用会大大降低， 结构整体刚度的变化明显口 - 2 。 随着结构新材料的发展，钢管混凝土原材质量上的缺陷、 不足已得到很大改善。 鉴于钢管混凝土的实用价值， 加强对钢管 混凝土性能上的研究是十分必要的。 本试验对钢管混凝土的脱 空影响 、 如何获高的结构刚度值， 及钢管混凝土脱空的刚度处 理等问题进行了相应研究， 为实践工程提供了有利的指导。 1 钢管混凝土刚度对结构性能的作用 在钢管混凝土结构的研究中， 如何获得高刚度的储备值， 成 为工作开展的重心。 1 1 刚度 性 能的 削弱 钢管混凝土自身的刚度大小， 影响着结构的整体承载及截 面变形 ， 这些因素的影响直接关系到结构的安全属性。 显著的刚度下降， 会导致结构局部的挠度超过规范的允许 值 ， 并危及到可用性的承载力 ， 造成结构某些部位的损伤及安 全隐患。 刚度值的下降， 所引起的内力不利影响， 如果考虑不够 周全， 就会引发灾难性的工程事故3 1 。 下面以桁架钢管混凝土悬臂梁为例 ， 对混凝土脱空对结构 的影响作用进行说明， 如图 1 。 收稿 日期 ：2 0 1 1 - 1 l _ 0 3 工 图 1 桁架钢管混凝土悬臂 梁示意 在均布荷载 自重 g与集中力 F的作用下， 桁架钢管混凝土 悬臂梁悬臂端的位移为嗍 ： = _l 2 - 望 + s 4 4 ( 手 ) 见 3 4 ( 手 ) 一 式中： E 。 核心混凝土的弹性模量； ， c 核心混凝土的惯性矩； 钢管的弹性模量 ； 钢管桁架对截面形心的惯性矩。 当混凝土( 均布荷载 q 。 ) 出现脱空现象时， 外力的作用单独 由钢管来承担， 钢管所产生的位移值为： 一( q - 4 q )L 4 + 旦 ( 2 ) 一 、 ， 8 4 3 4 蜘 混凝土所产生的位移为： ( 3 ) 。 8 E 。 J 47 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 处于脱空状态的钢管混凝土悬臂端的挠度 。 ， 推出： g q L E J 十 2 F E J ( 4 ) 最终， 得出混凝土脱空时， 桁架钢管混凝土悬臂梁的端部 位移为 ： = + 丝 、 4 E E 3 1 4 E J + 4 E ( 5 ) 在混凝土脱空之后 ， 整个桁架钢管混凝土结构的刚度降低 明显。 1 - 2 钢管混凝土拱肋的刚度作用 在钢管混凝土结构有限元分析时， 应综合考虑各种因素的 影响。 采用虚功原理建立有限元平衡方程， 单元平衡方程变形体 应满足协调条件在任意变形状态上所作的虚功等于零的条件， 单元的平衡方程为： f r o - d v = f ， ) + I u lr + U q r ( 6 ) s i 式中： 应变矩阵； 结点位移矩阵； 1) e 单元所在的区域。 以实际工程为例 ， 对钢管混凝土刚度作用进行结构力学性 能分析。 有限元模型的抗弯刚度比取值 0 7 4 ， 主要参数如下： 桥 墩 E为 3 0 x l O P a ， ， 为 1 6 2 8 m4 ， p为 2 5 1 0 k g m3 ； 拱肋 E为 3 6 5 x l &P a ， ， 为 0 9 9 0 8 m4 ， p为 4 9 6 5 x 1 0 k g m3 。 计算跨径 2 采 用 6 2 m， 矢跨比数值为 1 6 ， 模型示意如图2 ， 整个结构的内力 变化情况， 见表 1 5 。 图 2 结构模型示意 表 1 钢 管混凝土刚架系杆 拱桥 的结构 内力 同理， 调整抗弯刚度比值 ， 对各种不同跨径的钢管混凝土 拱桥进行刚度 比对分析。 经过相同跨径钢管混凝土拱桥的研 究， 当调整结构抗弯刚度比值时， 结构内力变化的基本规律如 下： 随着抗弯刚度 比的提高 ， 钢管混凝土拱桥的拱顶截面及拱 脚截面内力变化是一致的， 都呈减小趋势。 当采用较大的抗弯刚 度比值， 拱顶截面的M与拱脚截面的 M都有大幅度的增长， 可 达到 2 0 左右的增幅， 而拱脚截面的变化则比较小； 随着抗 弯刚度比的提高， 1 4截面的内力变化呈增长趋势， 甚至可以达 到 3 0 左右的数值 ， 且变化明显。 总之， 抗弯刚度比值的调整， 会导致比较敏锐的结构内力变化。 通过对不同跨径钢管混凝土拱桥对比看出， 随着结构抗弯 48 刚度比的改变， 截面弯矩的变化比轴力要活跃一些。 总体来说， 结构受力性能的变化是比较敏锐的。 因此， 在实际工程中， 对抗 弯刚度妥善进行处理， 直接关系到结构整体内力的合理分布。 2 钢管混凝土刚度的质量保障 钢管与混凝土的相互作用 ， 是决定整体结构刚度的主要因 素。 实际工程中， 高刚度的质量呵护必需要精心、 到位， 达到共 同承受压力的目的。 钢管与混凝土之间的高黏结性， 是结构受力的根本保障。 外 部荷载产生的内力 ， 先是传递给钢管， 再由钢管传递给内部的 混凝土。 钢管与混凝土的黏结保障， 是实现结构内力连续转移， 达到共同承载的基本条件。 一般而言， 混凝土应取极限黏结值， 即： 大于极限破坏应变 0 0 0 3 5 ， 确保结构协调变形的安全。 同时， 混凝土的密实度 ， 也是影响黏结强度的关键因素， 两者变化规 律的互动是正比的。 因此， 只有保证高质量的浇筑工艺 ， 避免由 黏结性能的失效， 造成刚度值达不到所需的要求 。 自密实高性能混凝土， 是解决钢管 昆 凝土脱空的有效手段。 自密实混凝土的高流态 ， 不仅控制着施工质量的高低 ， 更反映出 混凝土的塑性性能及运送的泵送能力。 自密实混凝土的坍落度， 一 般超过了 2 4 0 mi i 1 的数值， 扩展度( D) 也可达到 6 0 0 7 5 0 r l l n ， 如图 3 所示。 与普通塑性混凝土比较， 自密实混凝土的坍落度约 增加了5 0 ， 充分显示出高性能材料所具备的良好流动力及流 动速度。 因此， 控制好混凝土浇筑的坍落度， 尽可能降低坍落度 值的损耗 ， 是保障高性能、 高刚度的密实混凝土质量的必备条 件之一嘲 。 g g 、 她 密 时间 rai n 图 3 自密实混凝土坍落扩展度示意图 如何获得高强度的自密实混凝土， 是保障结构刚度质量的 关键。 在施工过程中， 主要从以下方面进行加强： 原材料的流态选择。 流动性， 反映了混凝土施工的难易度， 决定着结构的刚度。 在混凝土原材料的要求上， 水泥要选择高强 度的稳定等级， 而粗骨料的直径也要适中， 尤其是片、 针状的骨 料颗粒尽量要少， 确保混凝土流动的连续性。 同时 ， 解决好混凝 土的黏聚反应、 骨料分离等负面作用， 只有当混凝土具备较好 的穿越能力， 才能获得足够的刚度值 9 1 。 局部上的施工处理。 在浇筑混凝土时， 采用滚动、 对称的灌 浆方式， 防止浇筑高差所导致的钢管变形； 密切关注混凝土的 流态变化 ， 并保证足够的浇筑初凝时间， 让成型的混凝土呈现 连续性。 最后， 排除表面多余的浮浆， 让溢出的浆体有着最佳的 态势， 以获得高密实的混凝土强度。 3结 论 刚度， 是反应结构工作状态的重要评定指标。 比较理想的 刚度值， 展现出结构较好的工作能力。 对结构刚度的质量控制 ， 应该给予足够的重视： ( 1 ) 克服脱空的刚度削弱。 从桁架钢管混凝土悬臂梁的脱 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 空前后的分析 ， 看出一旦混凝土的完全脱黏 ， 导致在相同外荷 载作用下 ， 结构刚度减小了4 EA( a 2 ) 的数值 ， 即： 结构抵抗下 挠的能力降低。 在施工、 运营阶段里， 钢管混凝土要保证足够的 结构刚度 ， 避免过大的变形， 才能获得足够的安全储备。 对于大 跨径的建筑结构 ， 尤其在动荷载作用下 ， 对刚度的需求会更高 一 些。 因此， 避免钢管混凝土刚度的损耗 ， 克服应力集中所带来 的开裂危害等问题 ， 将防止结构产生进一步的塑性性能及耐久 性能 的削弱。 ( 2 ) 合理的刚度参数。 钢管混凝土刚度的调整 ， 会带来比较 敏感的内力反应， 尤其在危险的控制截面上 ， 性能上的影响更 为明显。 在钢管混凝土拱桥中， 适当提高钢管混凝土拱肋的刚度 值 ， 可使结构的承载力比原来增加 2 0 左右 ， 这对结构整体内 力的改善比较有利， 大大提高了使用的安全指数。 在进行结构的 内力分析时 ， 对受力明显的关键部位， 可先拟定一个预估的初 始尺寸， 再根据内力合理分布的原则， 确定好局部上的刚度， 以 获得最佳的设计参数。 ( 3 ) “ 强、 流、 密” 的工程原则。 钢管钢材的选用 ， 要保证高强 度。 用钢管加工的精细度及良好的质量， 为结构提供足够的刚度 储备 ， 而钢壁的厚度取大于 2 0 i n i n左右的数值； 混凝土的高流 态。 保证原材级配合比的合理性， 粗骨料也不宜 占用太多， 级配 最大的粒径( 选用大黏结力的粗糙面) 宜取小于 1 8 ml l l 左右的 连续值； 混凝土的高密实度。 为克服混凝土上的断缝 、 蜂窝等质 量问题， 实现钢管与混凝土之间的紧密贴合 ， 可从对混凝土浇 筑工艺的控制上人手 ， 采用对称、 连续的压注、 灌浆施工 ， 对坍 上接第 4 6页 单体质量的 6 8 时， 聚羧酸减水剂的水泥净浆流动度达到最大 值， 分散能力最好 ； 引发剂用量继续增加， 聚羧酸减水剂的水泥 净浆流动度变小， 分散能力减弱。 ( 2 ) 通过试验得到如下各反应组分质量比例 ， 大单体： 顺丁 烯二酸酐： 甲基丙烯磺酸钠： 丙烯酰胺为 1 ： 0 2 3 5 ： 0 1 0 0 ： 0 0 2 7 ， 所 合成出的聚羧酸减水剂的分散性能较优 ， 减水效果显著。 ( 3 ) 试验结果表明合成聚羧酸减水剂的反应温度约为 8 0 较适宜， 此温度合成的聚羧酸减水剂水泥净浆流动度达到较好 水平， 分散能力达到较佳状态。 ( 4 ) 试验结果表明反应时间为 6 7 h时对聚羧酸减水剂的 合成比较适合 此时合成出来的聚羧酸减水剂的水泥净浆流动 度达到较佳水平， 分散能力达到较优的状态。 ( 5 ) 通过红外光谱分析， 得出合成的聚羧酸减水剂中已具 有羟基、 磺酸基 ， 羧基、 酰胺基、 醚基等特征基团， 从而说明特征 官能团对聚羧酸减水剂性能起着重要的作用。 参考文献 ： 【 1 】 谭洪波功能可控型聚羧酸减水剂的研究与应用 D 】 _武汉 ： 武汉理工 大学 ， 2 0 0 9 ： 1 - 4 【F2 】房满满， 西晓林 ， 林东， 等 聚羧酸系高效减水剂的研究现状和应用 前景【 J J 材料导报， 2 0 0 8 ， 2 2 ( 3 ) ： 7 6 一 - 7 9 【 3 王友奎， 赵帆， 王洛礼 1 氐 坍损聚羧酸系高效减水剂的合成f J 1 混凝 土 ， 2 0 0 5 ( 9 ) ： 7 9 8 2 4 】K a z u o ， Y a m a d a ， e t a t Ef f e e t s o f t h e c h e mi e a l s t r u c t u r e o n t h e p r o p e r t i e s o f p o l y c a r b o x y l a t e - t y p e s u p e r p l a s t i e i z e r J C e m e n t a n d C o n e r c t e R e s e a r c h ， 2 0 0 0 ( 2 ) ： 1 9 7 ， - 2 0 7 【 5 J Hi r o s h i ， U e h i k a w a ， e t a 1 T h e r o l e o f s t c r i c r e p u l s i v e f o r c e i n t h e d i s p e r 一 落度和扩展度两大流动指标实行跟进监控， 以实现整体结构刚 度的高强度。 参考文献 ： 1蔡绍怀 现代钢管混凝土结构【 M 京： 人民交通出版社 ， 2 0 0 3 ： 3 - 4 2 】王伟 冈 管混凝土脱空机理研究 D 】 重庆： 重庆交通大学 ， 2 0 0 8 【F3 】秦荣 ， 谢肖礼， 彭文立， 等 钢管混凝土拱桥钢管开裂事故分析 土 木工程学报 ， 2 0 0 1 ， 3 4 ( 3 ) ： 7 4 一 - 7 7 【 4 】 李廉锟结构力学( 上册) 【 M 】 _ 京： 高等教育出版社， 2 0 0 4 ： 1 3 4 1 3 5 IF5 】钟善铜 钢管混凝土刚度的分析 J 哈尔滨建筑大学学报， 1 9 9 9 ， 3 2 ( 3 ) ： 1 3 1 8 6 】朱志坚高强钢压力钢管制造安装过程中的质量控制【 J 】 _四川水力发 电， 2 0 1 0 ， 2 9 ( 2 ) ： 2 4 3 2 4 4 ， 2 5 1 【 7 胡波， 王建国 钢管与混凝土黏结一 滑移相互作用的数值模拟【 J 】 中国 公路学报， 2 0 0 9 ， 9 ( 4 ) ： 8 4 -9 1 【 8 】8 赵筠 自密实混凝土的研究和应用 J 混 凝土， 2 0 0 3 ( 6 ) ： 9 - 1 6 9 】O K A MU R A H S e l f - ,-c o m p a c t i n g c o n c r e t e J C o n c r e t e I n t e rna t i o n a l ， 1 9 9 7 ， 1 9 ( 7 ) ： 5 0 一 - 5 4 I O C E C S 2 0 3 ： 2 0 0 6 ， 自密实混凝土应用技术规程l s 作者简介： 黄民元( 1 9 7 6 一 ) ， 男， 副教授， 工程师， 从事土木工程研究。 联系地址： 长沙市中南林业科技大学土木工程与力学学院( 4 1 O o o 4 ) 联系 电话 ： 1 3 7 5 5 0 4 9 1 9 5 s i o n of c e m e n t p a r t i c l e s i n f r e s h p a s t e p r e p a r e d w i th o r g a n i c a d mi x t u r e J C e m e nt a n d C o n e r e t Re s e a r c h ， 1 9 9 7 ( 1 ) ： 3 7 4 3 【 6 MO U K WA M， YO U N D， HA S S A N AL I M E f f e c t s of d e g r e e o f P o l y l n e r - i z a ti o n o f w ra t e r s o l u b l e P o l y l n e r s o n e e o n c r e t e p r o p e rt i e s J C e me n t a n d C o n e r e t e R e s e a r c h， 1 9 9 3 ， 2 3 0 3： 1 2 2 1 3 3 【 7 李崇智， 等 聚羧酸系混凝土减水剂结构与性能关系的试验研究【 J J 混凝土 ， 2 0 0 2 ( 4 ) ： 3 - 5 【 8 】 韩明， 高蓓蕾， 陈树东， 等 聚羧羧酸系高效减水剂的合成研究【 J J _ 新 型建筑材料， 2 0 0 8 ( 3 ) ： 1 9 - -2 2 【 9 刘长春 聚羧酸类高效减水剂的共聚合成 J 1 - 1 匕 学建材， 2 0 0 5 ， 2 1 ( 4 ) ： 41 -4 Z 1 0 He o n - Y b u n g C h o ， J u n g - Mo k S u h E ff e c t o f the s y n t h e t i c c o n d i ti o n s o f Po l y c a r b o x y l a t e g e thy l e n e g l y c o l me t h y l e t h e r O i l d i s p e r s i b i l i t y in e e - m e n t p a s t e J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e ar c h ， 2 0 0 5 ( 3 5 ) ： 8 9 1 8 9 9 【 1 1 】 李崇智， 冯乃谦， 王栋民， 等 梳形聚羧酸系减水剂的制备表征及其 作用机理【 J 硅酸盐学报， 2 0 0 5 ( 2 ) ： 8 7 一 - 9 2 【 1 2 何靖， 庞浩， 等_新型聚醚接枝聚羧酸型高效混凝土减水剂的合成与 性能 J 1 高分子材料科学与工程， 2 0 0 5 ( 9 ) ： 4 4 - 4 7 1 3 卢江， 梁晖 高分子化学 M 】 京： 化学工业出版社， 2 0 0 5 ： 6 5 8 0 ( I 4 j 葛兆明 混凝土 Yb N M I 北京： 化学工业出版社， 2 0 0 5 ： 1 8 2 O 作者简介 联系地址 联系电话 赵苏( 1 9 6 5 一 ) ， 女 ， 教授， 博士， 主要从事材料化学和物理化 学的研究。 辽宁省沈阳市浑南新区浑南东路 9 号 沈阳建筑大学材料 科学与工程学院( 1 1 0 1 6 8 ) 1 3 3 2 2 4 3 3 21 8 4 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m