钢护筒-钢筋混凝土组合构件在轴向受力状态下的承载特性和破坏模式

曹棉

摘 要：在“一带一路”倡议下，我国水运行业正快速发展。为满足内河航运对大型、专业化码头的需要，国内提出了大水位差（水位大于20m）架空直立式码头结构形式，在此形式上进行了大量的实验设计、科学研究和工程实践，以达到充分了解其结构特性的目的。本文基于钢护筒-钢筋混凝土结构，研究其在轴力作用下的承载特性、结构变化和破坏模式，为实际工程建设提供参考性作用。

关键词：轴向受力;承载特性;结构变形;破坏模式

中图分类号：U655            文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2019）05-0097-02

“一带一路”倡议下，为满足内河航运对大型、专业化码头的需要，国内提出了在大水位差（水位大于20m）架空直立式码头结构形式，并进行了大量的科学研究和工程实践。徐俊杰针对大水位差架空直立式码头的结构型式及特点和适应性进行了归纳，且对码头的桩基础、上部结构及其接岸结构等设计的计算要点进行点评[1]。王多银教授等以大水位差全直桩架空直立式码头为研究对象，利用有限元软件SAP2000对码头结构在水平荷载作用下的荷载工况进行了数值分析，通过提取各排架基底剪力，与水平撞击荷载相比，得到了不同水平荷载作用位置下的撞击荷载分配系数值[2-3]。刘全兴等采用ABAQUS有限元软件，模拟内河大水位差码头结构在受到船舶撞击时的破坏情况，得出其破坏模式[4]。目前，对垂直码头的结构设计、静力分析和动力分析进行了研究方面较为普遍。

本文以钢护筒-钢筋混凝土结构为例，研究了钢护筒-钢筋混凝土结构在长期轴力作用下的承载特性和破坏模式，为工程实际施工提供参考价值。

1承载竖向承载能力特性

本文设计实验6组，分别采用大型港工结构多功能试验系统进行加载实验。

表2表明，1号试件（素混凝土试件）的极限承载能力低于4号试件（钢筋混凝土试件），即由于钢筋作用增强对核心混凝土构件的约束作用，致使其极限承载能力大于素混凝土试件。同时，5号试件和6号试件均为设计钢护筒-钢筋混凝土构件，其实测极限承载能力较素混凝土试件和钢筋混凝土试件有极大提升。其中，提升素混凝土试件极限承载能力1倍以上，提升钢筋混凝土构件极限承载能力0.5倍以上。

此外，从图1可以看出，公式（1）可预测2、3号试件的极限承载能力，且预测差值较小。然而，该计算公式只考虑核心混凝土极限承载作用，未考虑钢筋对核心混凝土的约束作用，其计算数值明显低于实测值，且远小于设计钢护筒-钢筋混凝土试件数值。因此，桩结构试件其极限承载能力不仅受配筋率影响，还收钢护筒作用的影响，即实际工程设计需考虑钢护筒和配筋率对核心混凝土的约束作用，避免实际工程材料浪费。

2竖向承载能力破坏模式

图2为试验试件破坏模式，由图可知，1号试件（素混凝土试件）在达到极限承载荷载时桩端突然破碎，整体破坏模式为脆性破坏，且破碎长度达整个桩长的300mm。2号试件（钢护筒-混凝土试件）其鋼护筒加强了对混凝土的约束作用，致使其在达到极限承载荷载时试件出现局部破碎且屈曲。4号试件（钢筋混凝土试件）其钢筋抑制核心混凝土的变形，致使其在达到极限荷载时出现局部破碎，提高了混凝土力学性能。在钢筋和钢护筒的双重约束下，加载过程中，5号试件逐渐出现弯曲变形，且在达到极限承载荷载时发生弯曲破坏。6号试件在加载过程中前期呈现出5号试件变形特征，但当其达到极限承载荷载时试件的钢护筒焊缝突然裂开，且核心混凝土发生脆性破坏。

3 总结

本文考虑钢护筒厚度与配筋率，设计6种试验构件，经试验研究表明：钢护筒作用可增强对钢筋混凝土构件的约束作用，可有效提升试件极限承载能力，改变钢筋混凝土试件力学性能，在实际工程中具有切实可行的利用价值。同时，随着钢护筒厚度的增加，其对钢筋混凝土试件的约束效果逐渐增强，试件破坏形式符合延性破坏趋势。

参考文献：

[1]徐俊杰.内河大水位差架空直立式码头结构设计[J].水运工程，2006（S1）：62-67.

[2]王多银，宋成涛，温焰清，黄然等.三峡库区变动回水区架空直立式码头结构形式研究[J].水运工程，2011（3）：54-58.

[3]王多银，田建柱.大水位差架空直立式集装箱码头结构型式研究[J].重庆交通大学学报（自然科学版），2008（1）：139-143.

[4]刘全兴，王多银，黄然等.船舶撞击下内河大水位差码头破坏模式研究[J].港工技术，2010（4）：14-16.

[5]蒋正施，汪承志，李鹏飞.钢护筒-钢筋混凝土结构抗拉弯性能试验研究[J].中国水运（下半月），2018，18（03）：221-222+234.