钢管混凝土组合格构柱高墩偏压试验研究.pdf

5 O 桥梁结构 城 市道桥与 防洪 2 0 1 2 年 2 月第 2 期 钢管混凝土组合格构柱高墩偏压试验研究 胡宇 ( 铁道第三勘察设计院集团有限公司， 天津市 3 001 4 2 ) 摘要： 雅泸高速公路黑石沟特大桥在国内首次提出并采用了钢管混凝土组合格构柱高墩。为研究这种结构形式高墩的组合性能 ， 进行了偏压试验和破坏试验， 考察了钢管混凝土柱肢、 钢管外包混凝土及腹板剪力墙的受力性能。试验结构表明： 正常使用极限状态 下， 钢管混凝土组合格构柱处于小偏心受压， 结构处于弹性状态。 关键词： 钢管混凝土 ； 格构柱； 试验研究； 偏压； 正常使用极限状态 中图分类号： U 4 4 3 2 文献标识码 ： B 文章编号： 1 0 0 9 7 7 1 6 ( 2 0 1 2 ) 0 2 0 0 5 0 一 o 4 0 引言 钢管混凝土组合格构柱是钢与混凝土组合应 用的一种新结构形式 ，具有外形纤细 、承载能力 高 ， 抗 震性 能好 等优点 I _ 3 】 ， 尤其 适用 于抗 震设 防 地区作为高耸桥墩承重结构【4 1 。其主要设计思想 是 ： 以钢管混凝土柱为核心 ， 利用钢管混凝土受压 时产生的增强效应减小截面尺寸 ，提高柱身承载 力， 而为了将钢管混凝土柱连成整体 ， 在钢管混凝 土柱之间设计了连接剪力墙【5 J ( 截面形式见图 1 ) 。 这种结构形式 目前还没有设计规程和工程经验可 以参考借鉴。雅泸高速公路黑石沟特大桥是国内 首次采用 钢管混凝土组合格构柱作为桥墩结构形 式的预应力混凝土连续刚构桥 。为 了研究这种超 高墩在偏压荷 载作用下 的结构行为 ，本文选取该 桥 3号主墩作为研究对象，开展了正常使用极限 状态下钢管混凝土组合格构柱高墩的偏载试验研 究 。为叙述方便 ， 从 内侧到外侧 ， 依次命名为核心 混凝土 、 钢管 和外包混凝土。 标准横截面 图 1 组合墩 截面 ( 单 位 ： e m ) 1 基本概况 黑石沟特大桥地处地震高烈度区 ，主跨为 2 0 0 m， 沟底距 桥面约 1 9 0 m， 大桥主墩 、 辅 助墩 、 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 1 2 0 8 作者简介： 胡宇( 1 9 8 4 一 ) ， 男， 辽宁鞍山人 ， 助理工程师， 从事 桥 梁设 计工作 。 交界墩均采用钢管混凝 土组 合格构柱形式 。其 中 3号主墩墩高 1 3 3 m， 墩顶横 向宽 6 8 m， 纵向宽 1 0 m。 墩身采用 4 一 l 3 2 0 m m钢管， 内灌 C 8 0混 凝土 ，外包 C 3 0钢筋混凝土 。各柱肢间用 型钢剪 力墙连接 ， 沿墩 高均匀设置 1 1 道 C 3 0预应 力混凝 土 隔板 。 2 偏 压试 验介 绍 2 1 模 型设计 按照设计单位 的要求将墩顶箱梁倒置 并与墩 底 固结 。根据试验主要 目的 ，本文只讨论墩 的设 计。依据应力相似准则6 1 ， 得到模型试验的主要参 数如表 1所示。 表 1 模型主要参数 注 ： N 为偏 压轴 力 ， Q 为剪 力 ， M 为偏心 弯矩 ， e为 偏心 距 ， H 为 墩 高。 为了模型制作方便 ， 根据用钢量相等原则 ， 采 用 Q 2 3 5 一 c代 替原 型 桥墩 钢 管柱 肢 所采 用 的 Q 3 4 5 一 B ；采用螺纹钢筋代替原型桥墩的横撑、 斜 撑和风撑的型钢；采用钢丝网代替原型桥墩的钢 管外包钢筋混凝土、腹板和混凝土隔板中的构造 钢筋 。为防止腹板及外包混凝土受剪开裂 ， 在 C 3 0 混凝 土中掺人聚丙 乙烯纤维制成纤维混凝土 。混 凝土试块采用室外天然养护，材料试验测试结果 见表 2 。 表 2 材 料性能 测试 结果 注 ： 为混 凝土 立方体 抗压 强度 ， 为 混凝 土棱柱 体抗 压强度 ， 为钢 材屈服 强度 为钢 材破 坏强度 。 墨 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2 年 2 月第 2 期 城 市道桥 与防洪 桥梁结构 5 1 2 2 试验 方法 试验采用油压千斤顶加载。为保证钢管与混 凝土共 同受力 ，在墩顶垫 以 2 0 mm厚 刚垫板 ， 墩 A 底采用预应力钢筋锚固。 试验装置如图 2 所示。 以 试验荷 载的 1 0 为加 载量级分两 次循环 加载 ， 测 试挠度 、 应 变 ， 观测裂缝 。 亟 堑 - sl I 1 B 0 钢管混凝土柱 - e - $ 2 = 一 l 2- J l -e -s3 = = 3( I - I ) 一 J l s4 ： = 3( I I ) 腹 板 剪 力 墙 l -e -s5 雎 = = 4 ( 一 n )- J I 4 ( 一 ) 7 ， l ， ， ， ， ， ， 顷 龃 图 2 加载装置示意图 沿墩 高 5分点及墩顶各布置一块 百分 表测试 墩身位移。在柱肢钢管表面 I I 和 一 截面的 、 点各布置一片纵向应变片， c 、 D点各布置一 片应变花 ； 管内混凝土中预埋有钢筋 ， 对应 II 和 一截 面 的钢筋 表面贴 有纵 向应 变片 ；外包 混凝 土及腹板 表面 A、 日及 E G点各 布置一 片纵 向应变片 ， c 、 D点各布置一片应变花。详细布置 几儿图 3 。 3 试验结果 3 1 受力性 能分 析 模型为典型的悬臂压弯构件 ， 1 5号百分表 数值显示，同级荷载下水平扰度随墩高的增加而 增大。 由图 4中可以看出， 正常使用极限状态下加 载全过程荷载一挠度曲线斜率接近直线 ，两次加 载曲线的重合度良好， 模型未进入塑性变形阶段 ， 偏心弯矩作用很小。 3 2 钢管混凝土柱肢 受力性能 依据钢筋与混凝土的变形协调原则 ，通过测 试预埋钢筋的应变可以间接得到核心混凝土应变 的分布。图 5 、 图 6给出了 I I 截面核心混凝土 及钢管的荷载一纵向应变曲线 ，从图中可以看出 钢管的受力性能与核心混凝土相同。曲线基本保 持直线 ， 试件处于线弹性阶段。 近载侧柱肢所受轴 力明显大于远载侧柱肢 ， 且各柱肢均受压， 构件处 耱 挺 A A A 柱肢钢管应变片布置示意图 A A 外包混凝土及腹板应变片布置示意图 图 3 应变 测试示 意图 1 0 0 9 0 8 0 7 0 之 6 0 5 o 握4 0 3 0 2 0 1 0 0 0 2 4 6 扰度“ r ma 图 4 测点 1荷载一挠度曲线 次加载 次加载 0 1 0 0 2 0 0 3 00 4 0 0 ( 1 0 一 。 ) 注 ： 压应变为正， 拉应变为负。 图 5 II 截 面核 心混 凝土荷 载一应 变 曲线 图 O 9 8 7 6 5 4 3 2 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 2 桥梁结构 城 市道桥 与防洪 2 0 1 2 年 2 月第 2 期 堰 0 5 0 1 0 0 1 5 O 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 ( 1 0一 。) 注 ： 压应变 为正 ， 拉应 变为 负 。 图 6 I I - I I 截面钢 管荷 载一 应 变 曲线图 于小偏心受压状态。 在正常使用极限状态下， 远载 侧 混 凝 土 纵 向 微 应 变 为 8 5 1 0 0 ， 近 载 侧 为 2 8 0 3 2 0个 微 应 变 ；远 载 侧 钢 管 纵 向微 应 变 为 9 5 1 2 0，近 载侧 钢管纵 向应变达到 了 2 8 0 3 3 5个 微应变， 其值与混凝土应变十分接近， 说明钢管与 混凝土之间的粘结较好 ，二者之 间几乎没有发生 滑稽 ， 作为整体工作是可靠的。 图 7绘 出了 1号 和 4号钢 管 表 面 的应变 曲 线 ， 可以看出单肢钢管的变形基本上保持平面， 单 根柱肢的受力性能类似于钢管混凝土单柱。近载 侧 2号管所受轴力较大 ，钢管 的压应变 明显大 于 远载侧 的 1号管 。 一2 号管 1 号管 图 7 单根柱肢钢管应变曲线 由表 3 可以看出，正常使用极限状态下各柱 肢的泊松 比基本上 略小于钢材 的平均泊松 比 0 2 8 3 瑚】 ( 钢材 的泊松 比一般 为 0 2 5 0 3 t 】 ) ， 构 件 处于弹性阶段 ， 钢管的紧箍力作用并不明显。 表 3 钢 管柱 肢泊松 比 3 3 外包混凝 土及腹板受力性能 以2 2截面为例，图 8 给出了2 2截面外包 混凝 土及腹板表面测点的荷 载一纵 向应变 图 ( 每 条曲线外侧 4个节点为外包混凝土测点，中间各 点为腹 板测点 ) ， 从 中可 以看 出 ， 加 载初期 ， 截 面 各点应变基本保持连续 。 随时偏压荷载 的增大 ， 由 于钢管柱肢与腹板的刚度差异 ，柱肢承担了大部 分竖向荷载 ，由于实际施工中二者的连接无法达 到理想化， 荷载无法完全从钢管柱肢传递道腹板， 因此钢管柱肢 的外包 混凝土应 变增 长速度明显超 过腹板混凝土表面应变的增加速度 ，全截 面应 变 不再符合平截面假定fl0 】 。 r 一 80 20 0 r 一 1 0 0 1 0 0 5 0 0 5 0 远测测 位置 c m 近载侧 注 ： 压应变 为正 ， 拉 应变 为负 。 图 8 2 2外包 及腹 板混凝 土荷 载一应 变 曲线图 1 0 0 图 9对 比了 2 2 4 4截 面外包混凝 土及腹 板 表 面测点 的荷载 一纵 向应变变化规律 ，从 中可 以 看 出各截 面应 变分布规律相 同 ，位于墩底 的 4 4 截面腹板应变明显小于其它截面，说明在偏压荷 载作用下 ，随着墩高的增大各柱 肢中心线偏 离竖 直的趋势增大， 腹板的连接作用因而加强。 3 00 。 r 3- 3截 面 +2 2截 面 250 2 00 。 。 口 一 5 0 0 5 0 1 0 0 远载侧 位置 c m 近载侧 注 ： 压 应变 为正 ， 拉应 变为负 。 图 9 正常使用极 限状态下外包及腹板混凝土荷载一应变 曲线 图 为 了验证 上述结论 ， 试验 最后进 行 了破 坏加 载 ， 当千 斤顶 的竖 向荷载 达到 3 6 t 时 ， 墩底 截面 柱肢外 包 混凝 土表 面及 柱肢 与腹 板 的连 接 区局 部出现了肉眼可见的竖向裂缝及斜裂缝 ， 百分表 指数陡增， 指针空转 ， 结构发生压溃破坏。图 1 0 给出了各截面在破坏荷载下的荷载一应变曲线 ， 对比图 9 可 以看 出， 随着偏压荷载的增大 ， 腹板 远载侧由受压转为受拉，近载侧压应变减小 ， 但 腹板变形基本上遵循平截面假定， 钢管柱肢外包 混凝土远载侧出现较大拉应变 ， 近载侧压应变增 加 。 帆 帆 9 8 7 6 5 4 3 2 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2 年 2 月第 2 期 城 市道桥 与 防洪 桥梁结构 5 3 OUu 4 0 0 _ 2 0 0 _ t - - -* - - - - ； = ； 一 一 - 4 0 0 r 5 0 l 。 十4 4 截面 。 一3 - 3 截面 一 8 0 0 + 2 - 2 截面 远载测 位置 c m 近载测 注 ： 压 应变 为正 ， 拉 应变 为负 。 图 1 O 破坏状态下外包及腹板混凝土荷载一应变曲线图 4 结论 通过对组合钢管混凝土格构 柱高墩进行偏载 试验分析 ， 可 以得到 以下结论 ： ( 1 ) 在正常使用极限状态下 ， 结构受力处于线 弹性阶段 ，属于小偏心受压。组合格构柱高墩刚 度较大 ，变形较小。钢管与核心混凝土间粘结良 好 ， 作为单一构件共同工作是可靠的。 ( 2 ) 钢管的紧箍作用不明显 ， 钢管混凝土柱肢 的受力性 能接 近于单根 圆钢管混凝 土柱小偏心受 压 的受 力状 态。 ( 3 ) 钢管外包混凝土与剪力墙腹板表面应变不 连续，截面应变不再符合乎截面假定；腹板的连 接作用在墩顶较为明显。 ( 4 ) 在破坏荷载作用下， 墩底钢管外包混凝土 表面及柱肢与腹板的连接区局部出现了肉眼可见 的竖向裂缝及斜裂缝， 构件发生破坏。 参 考文献 1 1 李惠， 吴波， 林立岩 钢管高强混凝土叠合柱的抗震性能研究 f J 1 地震工 程与 工程 振动 ， 1 9 9 8 ， 1 8( 1 ) ： 4 5 5 2 2 】 李惠， 王震宇 ， 吴波 钢管高强混凝土叠合柱抗震性能与受力 机 理 的试验 研究 J 1 地震工 程 与工程 振动 ， 1 9 9 9， 1 9 ( 3 ) ： 2 7 3 3 3 】 林立岩， 李庆钢 钢管混凝土叠合柱的设计概念与技术经济 性 分 析 J 建筑 结构 ， 2 0 0 8， 3 8( 3 ) ： 1 7 2 1 【 4 】 裴万吉 ， 复式钢管混凝土柱力学性能研究【 D 】 西安 ： 长安大 学 。 2 0 0 5 5 】占玉林 ， 赵人达， 徐腾飞 ， 唐成平 钢管 昆 凝土组合格构柱高 墩大跨连续刚构桥非线性研究 J J 四川建筑科学研究， 2 0 0 9 ， 3 5 ( 6 ) ： 3 8 - 4 1 6 】 李德寅 结构模型试验【 M】 北京： 科学出版社 ， 1 9 9 6 7 】 陈宝春 ， 欧智菁 钢管混凝土偏压格构柱长细比影响试验研 究f J 】 建筑结构学报 ， 2 0 0 6 ， 2 7 ( 4 ) ： 7 3 8 9 【 8 T B 1 0 0 0 2 2 2 O o 5 ， 铁路钢结构设计规范 s 【 9 】 陈景， 蒋林华 钢纤维增强高性能混凝土力学性能研究 J 水 泥与混凝土制品， 2 o o 5 ( 1 ) ： 3 7 3 9 【 1 O 李乔 混凝土结构设计原理【 M 】 北京： 中国铁道出版社， 2 0 0 5 ( 上接 第 4 6页) 5 3 求开裂截面惯性矩 汀 先须求得开裂截面的中性轴高度 ： A = 6 + E A =1 5 0 0 0 x +5 3 8 0 7 0 4 S o = b x 2 2 + o t E A h o = 7 5 0 0 x 6 1 91 0 。 由x = S o A0 ， 解此一元二次方程得 ： x = 2 5 3 7 ( ram) L , = b x 3 3 + a E A ( ) 。 = 5 1 41 0 “ra m ) B E c J = 1 4 41 0 ( N mm ) 5 4 求截面刚度 B Ms = p 2 6 = 1 0 4 9 0 ( k N m) 船 而 曙 =5 3 x 1 0 ( N m ) 5 5 验算构件挠度 ， 6 = 6 m m 6 6 0 0 3 0 0 = 2 2 ( mm) 满 足规范要求 。 同理 ， 可求得 1 2 5 m长钢筋混凝土悬臂挡 土 墙悬臂端长期挠度为 4 5 ( ra m) ， 满足规范要求。 6 结 语 通过工程实例 ，介绍了对后踵有限制而采用 灌注桩基础的钢筋混凝土悬臂式挡土墙计算的一 般过程。“ 理正” 软件、 “ 桥梁博士” 软件的联合使 用 ， 可很容易对此类型挡土墙进行设计 、 计算。通 过挡土墙顶端挠度的计算 ，希 望对 以后工程 中悬 臂式梁求算挠度有所帮助 。 参 考文献 1 黄汉生 悬 臂式挡 土墙 优化 设计 J 】 _ 湖北水 力发 电， 2 0 0 2 ( 3 ) ： 1 0 -1 2， 4 0 【 2 】 梁学文， 刘倩悬臂式挡土墙的有限元分析【 J 华中科技大学 学 报 ( 城 市科 学版 ) ， 2 0 0 3 ， 2 0 ( 2 ) ：9 9 1 0 2 3 】 孙家驷， 李松青 道路设计资料集( 3路基设计) 【 M】 北京： 人民 交通 出版 社， 2 0 0 2 【 4 】 J T G D 6 2 -2 0 0 4 ， 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规 范【 s 】 北 京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 0 0 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m