膨胀剂对钢管混凝土徐变及承载力的影响研究

葛　勇，王起才，耿江伟，杨　芳，刘屺阳

(1.甘肃省交通科学研究院有限公司，兰州　730070；2.甘肃省桥梁隧道健康监测与安全评估技术重点实验室，兰州　730070；3.兰州交通大学，兰州　730070)



膨胀剂对钢管混凝土徐变及承载力的影响研究

葛勇1，2，王起才3，耿江伟1，2，杨芳1，刘屺阳1

(1.甘肃省交通科学研究院有限公司，兰州730070；2.甘肃省桥梁隧道健康监测与安全评估技术重点实验室，兰州730070；3.兰州交通大学，兰州730070)

为了研究膨胀剂对密闭钢管混凝土徐变及承载力的影响，基于CEB/FIP理论，采用数学方法，对钢管混凝土的核心混凝土的徐变进行理论计算，在试验构件尺寸不变的基础上，通过改变核心混凝土中膨胀剂的掺量，分析膨胀剂对钢管混凝土徐变的影响，最后对构件进行极限承载力试验。得出采用CEB/FIP方法的理论计算值与试验值较为吻合，对钢管混凝土徐变和承载力，膨胀剂有最佳掺量，并且徐变对密闭钢管混凝土的极限承载力稍有提高。

钢管混凝土；徐变；承载力；膨胀剂

钢管混凝土(简称CFST)结构在桥梁上的应用，可以同时解决拱桥高强度材料的应用和施工架设两大难题，且钢管混凝土除具有强度高、质量小、延性好、耐疲劳、耐冲击等优越的力学性能外，还具有省工省料、架设轻便、施工快速等优越的施工性能。因此CFST拱桥在中国发展很快[8-10]。

混凝土的徐变一直是世界研究的热点和难点，也是一个重点，徐变对钢管混凝土拱桥结构的影响显著，徐变对其拱肋挠度、钢管应力增加量、混凝土应力减小量等影响都很大。对于钢管混凝土，其徐变更是不可忽略。较普通混凝土而言，由于钢管混凝土中核心混凝土的三向受力特性及大的承载力等特殊性，其徐变更加复杂，更值得研究。

目前国内外对混凝土徐变问题的研究已经取得了相当的成果，但仍然没有得到很好的解决。目前现行的各国规范、规程，对此问题的处理也存在较大的差异。在我国主要采用CEB/FIP(1978)中徐变理论来考虑荷载的长期效应。而膨胀剂对钢管混凝土徐变和承载力影响的说法更是存在争议。通过理论分析和试验研究膨胀剂对钢管混凝土徐变及承载力的影响。

1　试验内容

该试验采用钢材为Q235，尺寸为φ140 mm×22 mm×500 mm的普通钢管进行钢管混凝土轴压徐变试验，模拟研究钢管混凝土工作过程中一些主要因素对构件徐变的影响。该试验采用大型徐变仪进行试验，试件钢管采用普通Q235焊管，核心混凝土等级为C50高强混凝土，试验中所采用膨胀剂为UEA型膨胀剂，构件核心混凝土配合比见表1，构件浇筑过程中振捣密实，且钢管混凝土浇筑完成后进行密封处理，即上下口各用1块钢板密封，以防止构件中膨胀效果的损失。

表1　试验用混凝土配合比　kg/m3

在构件表面贴有纵向应变计，以测量试件各变形阶段下的应变，构件的徐变变形用千分表测量，精度为0.001 mm，各元件都采用锡焊焊接，以保证接通良好，构件在标准养护条件下28 d后进行试验。试验过程中分级加载，每级荷载为50 kN左右，最终荷载占设计承载力的30%。试验一直在温度为20～30 ℃，湿度为40%～60%的环境中进行。试验构件见图1。试验加载见图2。

图1　试验构件

图2　试验加载

试验中所用构件的尺寸、膨胀剂掺量和持荷方式见表2(列举其中1组)。

表2　试验内容

2　徐变理论

日本沪川一夫等人对掺加CSA膨胀剂的膨胀混凝土的徐变变形进行了研究，结果表明与普通混凝土相比，膨胀混凝土的徐变较大而且由渗出效应引起的徐变中不可恢复部分更大，特别引人注意[3]。

根据徐变试验资料，用数学方法可以建立徐变加载龄期及持荷时间之间的经验关系式。在三向应力作用下和正常的应力作用范围内徐变与应力之间近似成线性关系，具体计算公式如下

式中Ci——徐变应变强度；

C1、C2、C3——3个主应力方向的徐变应变分量。

假定多轴徐变符合叠加原理，则在三向应力作用下，σ1方向的徐变可用下式计算

式中C1——在三向应力作用下，σ1方向的徐变应变分量；

Cu1、Cu2、Cu3——分别为轴向力σ1、σ2、σ3单独作用下产生的轴向徐变；

μcp，u——在单轴压缩应力作用下的徐变泊松比。

目前估算徐变值的方法很多，其中较准确的方法为CEB/FIP方法

混凝土龄期的弹性模量由下式确定

徐变系数

式中Kb——混凝土配合比修正系数；

Kc——环境温度修正系数；

Kd——加荷龄期修正系数；

Ke——构件尺寸修正系数；

Kt——持荷时间修正系数；

fc——试件的抗压强度。

利用上述公式可以求出三向应力作用下核心混凝土的徐变应变强度。

目前计算钢管混凝土极限承载力采用较多的公式为

式中θ——构件的套箍系数；

Ac、As——构件核心混凝土和钢管的横截面积；

fc、fs——构件核心混凝土轴压强度和钢管的屈服强度。

通过上述公式，代入该试验参数计算得出在膨胀剂掺量为0%时，钢管混凝土承载力为：N0=1 022 kN。

3　试验分析

通过试验得出了膨胀剂对密闭钢管混凝土承载力的影响：在一定范围内，当钢管混凝土的承载力与膨胀剂掺量成正相关， 但是超过极限值后，其承载力与膨胀剂掺量成负相关，并且通过试验得出此极限值为8%，即该型号膨胀剂在掺量8%时，其效果较好。试验装置如图3所示。

图3　试验装置

徐变试验完成以后，对原构件做极限承载力试验。试验结果中钢管混凝土承载力与膨胀剂掺量的关系见表3[1]。

表3　试验参数

其中极限承载力为构件破坏时所受力的大小，徐变前后所测得承载力采用2组构件分别得到，徐变后极限承载力为做完徐变试验的构件试验所得，2组构件的其他条件完全相同。

徐变对钢管混凝土的极限承载力影响不大，但相对试验前的极限承载力而言，徐变试验后构件的极限承载力稍有提高，如图4所示。

图4　徐变前后钢管混凝土承载力的影响曲线

适量的膨胀剂能提高钢管混凝土的承载力，并且膨胀剂的微膨胀作用能使核心混凝土更加密实，从而钢管混凝土的徐变减小。膨胀剂掺量对钢管混凝土徐变的影响关系与其对承载力的影响关系一致，该试验中当膨胀剂掺量在8%时，相应的钢管混凝土的徐变值较小，如图5所示。

图5　膨胀剂对徐变的影响曲线

通过CEB/FIP方法得到的理论计算值与试验数据相对较吻合，由于试验中温度等外在条件的影响，在不加膨胀剂时，试验值稍大于理论值。

当试件卸载后，试件变形量获瞬间恢复，其恢复量约为徐变总变形的60%左右，试件在无荷载情况下放置一段时间后，又将产生较小的徐变恢复，试件剩余小于40%的为不可恢复变形，即在荷载作用下产生的塑性变形，如图6所示。

图6　试件徐变恢复曲线

4　试验结论

(1)在一定范围内，膨胀剂能够提高钢管混凝土试件的承载力，但是膨胀剂有一最佳掺和量，少于或超过最佳掺量都将产生不利影响，该试验中膨胀剂的最佳掺量在8%时效果最佳，实际工程中应根据膨胀剂类别做试验确定。

(2)虽然膨胀混凝土的徐变比普通混凝土的徐变大很多，但在密闭条件下，钢管混凝土中加入最佳掺量膨胀剂可以补偿核心混凝土收缩等，降低其徐变作用，并且效果显著。

(3)钢管混凝土的徐变试验后构件的极限承载力较徐变前构件的极限承载力稍有提高，但影响不大。

(4)构件卸载后，构件的变形会产生瞬时恢复，然后在无荷载作用下慢慢产生徐变恢复，其最后总的恢复值约为徐变总变形的60%。

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Research on Effects of Expansive Agent on Bearing Capacity and Creep of CFST

GE Yong1，2， WANG Qi-cai3， GENG Jiang-wei1，2， YANG Fang1， LIU Qi-yang1

(1.Gansu Provincial Transportation Research Institute Co.， Ltd.， Lanzhou 730070， China; 2.Key Laboratory of Health Monitoring and Security Assessment Technology in Bridge and Tunnel， Lanzhou 730070， China;3.School of Civil Engineering， Lanzhou Jiaotong University， LanZhou 730070， China)

In order to study the effects of expansion agent on the bearing capacity and creep of CFST， mathematical method is used to calculate the creep of core-concrete filled steel tube based on the theory of CEB/FIP. In the experiment， the size of experimental specimen remains unchanged and the effects of expansive agent on CFST are analyzed with variable amount of expansive agent in concrete. Finally， the ultimate bearing capacity of the components is tested. To the conclusion， the calculated value by CEB/FIP method is consistent with experimental value. There exists a best dosage of the expansive agent to the bearing capacity and creep and the creep can slightly improve the ultimate bearing capacity of the CFST．

CFST; Creep; Bearing capacity; Expanding agent

2016-02-17；

2016-03-04

长江学者和创新团队发展计划(IRT1139)

葛勇(1988—)，男,硕士研究生，E-mail：geyong323@126.com。

1004-2954(2016)09-0071-03

U444

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.09.016