鋼管加固既有短柱橋墩軸壓承載力計(jì)算研究

劉金升， 錢永久

(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 四川 成都 610031)

?

鋼管加固既有短柱橋墩軸壓承載力計(jì)算研究

劉金升， 錢永久

(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 四川 成都 610031)

采用外套鋼管加固既有鋼筋混凝土柱是工程中常用的加固技術(shù)，國(guó)內(nèi)外對(duì)其加固后結(jié)構(gòu)的承載力計(jì)算理論研究較少。針對(duì)情況1(原柱混凝土在加固前完全卸載或初始應(yīng)力較低)從極限平衡理論的角度出發(fā)分析加固構(gòu)件的受力特征，推導(dǎo)出短柱橋墩加固后結(jié)構(gòu)的軸壓承載力的計(jì)算公式，并與試驗(yàn)的數(shù)據(jù)相對(duì)比，兩者符合較好，可為工程實(shí)際加固墩柱承載力計(jì)算分析提供支持。

極限平衡法； 橋梁加固； 鋼管加固； 橋墩

0 引言

鋼管外套加固鋼筋混凝土柱的加固技術(shù)是工程加固中常用的加固技術(shù)手段，但目前這種加固技術(shù)在加固結(jié)構(gòu)承載力計(jì)算研究發(fā)面存在滯后性，在《公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范》和《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》中沒(méi)有鋼管外套混凝土加固結(jié)構(gòu)的承載力計(jì)算方法及受力分析。

本文在總結(jié)鋼管混凝土和局壓鋼管混凝土的承載力計(jì)算相關(guān)研究的成果基礎(chǔ)上，運(yùn)用極限平衡法推導(dǎo)軸壓加固結(jié)構(gòu)的承載力計(jì)算公式，為工程實(shí)踐提供指導(dǎo)借鑒。

1 極限平衡理論計(jì)算與分析

1.1 情況1加固結(jié)構(gòu)基本假定

① 軸心受壓的核心混凝土柱的應(yīng)變場(chǎng)是軸對(duì)稱的，填充混凝土與核心混凝土間完全粘結(jié)無(wú)滑移。鋼管和填充混凝土、核心混凝土的極限屈服條件都是穩(wěn)定的；鋼管采用Von Mises屈服準(zhǔn)則，三向受壓混凝土屈服條件采用Сonsidere和Richartd的實(shí)驗(yàn)線性公式(1)和根據(jù)實(shí)驗(yàn)資料蔡紹懷建議非線性公式(2)，如下所示。

σc=fc+kp

(1)

(2)

式中：σc為三向受壓混凝土抗壓強(qiáng)度；fc為混凝土無(wú)側(cè)壓強(qiáng)度；p為側(cè)壓力，k為側(cè)壓系數(shù)。

② 加固結(jié)構(gòu)在原柱上施載，經(jīng)原柱混凝土壓力擴(kuò)散后結(jié)構(gòu)受力與局壓鋼管混凝土相似，對(duì)加固后結(jié)構(gòu)采用KLCO為局壓承載力折減系數(shù):KLCO=A·β+B·β0.5+C[8]，具體參數(shù)含義見(jiàn)文獻(xiàn)。原柱鋼筋為簡(jiǎn)化計(jì)算，只考慮加固結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)時(shí)，原柱鋼筋為屈服狀態(tài)。

1.2 情況1加固結(jié)構(gòu)承載力計(jì)算公式推導(dǎo)

用靜力法求解，鋼管、填充混凝土、核心混凝土的受力如簡(jiǎn)圖1～圖4。

由圖1建立靜力平衡條件建立方程，即：

N=KLCO(Ac1σc1+Ac2σc2+Asσ1)+As1σs1

(3)

圖1 加固柱縱向承載受力簡(jiǎn)圖Figure1 Free-body diagram of longitudinal reinforcement column

圖2 鋼管微元受力圖Figure 2 Steel tube infinitesimal body

圖4 填充混凝土受力簡(jiǎn)圖 Figure 4 Force diagram of filled concrete

其中：Ac1、Ac2、As、As1分別為核心混凝土、填充混凝土、鋼管、縱筋橫截面積，σc1、σc2、σ1、σs1分別為核心混凝土、填充混凝土、鋼管、縱筋縱向應(yīng)力，fs為鋼管的屈服極限，tw和t為填充混凝土和鋼管厚度，dc和dz為核心混凝土柱和加固后混凝土直徑。p1為填充混凝土對(duì)鋼管的徑向應(yīng)力，p為核心混凝土對(duì)填充混凝土的徑向應(yīng)力，fy1為縱筋的屈服強(qiáng)度。

由圖3建立靜力平衡方程可得：

(4)

由(4)式可求得：

(5)

對(duì)填充混凝土，由圖4建立靜力平衡方程可得：

(6)

整理(6)可得：

(7)

加固結(jié)構(gòu)中，填充混凝土強(qiáng)度一般較原柱混凝土的強(qiáng)度等級(jí)高一兩個(gè)等級(jí)，填充混凝土因受施加在核心柱上混凝土的軸向力的壓力擴(kuò)散，同時(shí)受鋼管的約束而處于三向受壓狀態(tài)。由圖4對(duì)式(7)取σw=p1，則求得：p=p1

(8)

由圖2鋼管的Von Mises屈服條件得：

(9)

由式(5)和式(9)可得：

(10)

取核心和填充混凝土的屈服條件為式(1)，代入式(3)得：

N=KLCO(Ac1σc1+Ac2σc2+Asσ1)+As1σs1=

As1σs1

(11)

荷載N是側(cè)壓力p的函數(shù)，為求最大的荷載Nmax，對(duì)荷載N取p的導(dǎo)數(shù)，則dN/dp=0，則：

(12)

在本文中k的取值為k=4，則得：

(13)

加固結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)時(shí)，鋼筋為屈服狀態(tài)，把式(13)代入式(12)得：

(14)

下面取混凝土屈服條件為非線性方程(2)并整理式(3)得：

As1σs1

(15)

荷載N是側(cè)壓力p的函數(shù)，同樣為求最大的荷載由dN/dp=0，求得：

(16)

(17)

從而可以得到加固后結(jié)構(gòu)的極限承載力式(15)的近似計(jì)算值為：

As1fy1

(18)

(19)

(20)

As1fy1

(21)

2 實(shí)驗(yàn)算例

2.1 試件的制作及材料性能

為得到加固結(jié)構(gòu)混凝土的極限承載力，做了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)中制作了4根鋼筋混凝土短柱，其中一根為原墩柱，其它3根是不同厚度的外套鋼管加固混凝土柱的加固試件。加固試件的尺寸見(jiàn)表1。

表1 加固試件尺寸表Table1 Sizeofspecimenmm試件編號(hào)原墩柱尺寸直徑高度鋼管厚度填充混凝土厚度縱筋直徑箍筋直徑及間距S—02501000006?12?6@150S—125010002256?12?6@150S—225010003256?12?6@150S—325010004256?12?6@150 注:其中,S—0為原墩柱,即為未加固的鋼筋混凝土柱,截面尺寸及配筋如圖5和圖7所示。S—1,S—2,S—3試件為加固后試件的編號(hào),其截面的尺寸如圖6和圖8所示。

圖5 原墩柱的截面示意圖Figure 5 Section pier column arrangement

圖6 加固后結(jié)構(gòu)截面示意圖Figure 6 The reinforcement structure section arrangement

圖7 原墩柱的配筋圖 圖8 加固后結(jié)構(gòu)鋼管布置圖

Figure 7 Pier reinforcement arrangement Figure 8 Structural steel reinforcement arrangement

填充混凝土為立式澆灌，試驗(yàn)試件的原柱混凝土和填充混凝土強(qiáng)度均是由在實(shí)驗(yàn)室中相同條件測(cè)得。其混凝土強(qiáng)度測(cè)試尺寸為150 mm的立方體試塊。

原柱和填充混凝土試件的材料強(qiáng)度見(jiàn)表2。

試驗(yàn)加固試件外套鋼管為Q235鋼板經(jīng)卷板機(jī)卷曲后焊接而成，外套鋼管的材料性能是根據(jù)外套鋼管的厚度不同截取原材料做拉伸試驗(yàn)和焊接板拉伸試驗(yàn)。原柱縱筋與箍筋同樣由預(yù)留的試件截取得到，按《金屬拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行材性測(cè)試，外套鋼管和鋼筋力學(xué)性能見(jiàn)表3所示。

表2 填充混凝土與原柱混凝土試件強(qiáng)度Table2 Thefillingandpierofstrengthconcrete試件編號(hào)填充混凝土fcuk/MPa原柱混凝土fcuk/MPaS—0—36.3S—138.136.3S—238.136.3S—338.136.3

表3 鋼管和鋼筋的材料性能Table3 Materialpropertiesofsteeltubesandrebars試件鋼管厚度鋼筋直徑/mm極限強(qiáng)度f(wàn)uk/MPa屈服強(qiáng)度f(wàn)yk/MPa焊縫抗拉度f(wàn)tk/MPa2344271324鋼套管33162622984336279302鋼筋6.0436336—12.0476350—

原鋼筋混凝土柱是在實(shí)驗(yàn)室中配筋澆筑成型4根鋼筋混凝土柱試件。加固試件是在原鋼筋混凝土墩柱澆筑成型自然養(yǎng)護(hù)直至試驗(yàn)，試驗(yàn)前對(duì)3根混凝土柱表面鑿深6 mm左右凹凸面后用高壓水槍沖洗，然后用鋼管焊接套箍加固，在原墩柱和鋼筋混凝土柱之間澆灌填充混凝土。制作部分過(guò)程如圖9所示。

(a) 鋼筋綁扎籠(b) 鋼筋混凝土柱成型

(c) 焊接外套鋼管(d) 加固試件澆灌完成

2.2 試驗(yàn)加載裝置和加載程序

外套鋼管加固鋼筋混凝土柱的軸壓承載力試驗(yàn)是在西南交通大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的長(zhǎng)柱試驗(yàn)機(jī)上完成的，試件上下兩端為鋼墊板，試件在對(duì)稱面各裝一個(gè)位移計(jì)，如圖10所示。

具體的試驗(yàn)加載程序?yàn)椋?/p>

① 在試驗(yàn)前準(zhǔn)備好放置好試件，把試件的兩端找平，準(zhǔn)備初始數(shù)據(jù)的記錄。

圖10 實(shí)際加載圖Figure 10 Loading deviee

② 開(kāi)動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，當(dāng)壓頭與試件將要接觸時(shí)，再次對(duì)試件調(diào)整找平。

③ 在試驗(yàn)正式開(kāi)始前，對(duì)試件進(jìn)行預(yù)加載，同時(shí)查看試驗(yàn)機(jī)的運(yùn)行情況。加載程序如圖11所示。正式加載時(shí)采用是逐步分級(jí)加載，每級(jí)所加的荷載基本為破壞荷載的10%，每級(jí)加載完成以后，穩(wěn)定停留5 min后進(jìn)行下一級(jí)的加載，當(dāng)荷載加載到90%的破壞荷載以后，按每級(jí)荷載的5%增量加載，逐步加載到試件破壞為止。

圖11 加載程序Figure 11 Loading program

2.3 試件的破壞形態(tài)及極限承載力實(shí)測(cè)值和計(jì)算結(jié)果對(duì)比

圖12為各試件軸心受壓后的破壞形態(tài)及破壞特征。

S — 0試件的破壞形態(tài)，同一般的鋼筋混凝土柱破壞形態(tài)，破壞時(shí)混凝土壓潰，混凝土保護(hù)層脫落。S — 1試件破壞時(shí)，試件上部外鼓，中部亦出現(xiàn)外鼓現(xiàn)象，套管面出現(xiàn)滑移線。S — 2試件破壞時(shí)，試件外鼓，表面出現(xiàn)滑移線，套管焊縫開(kāi)裂，混凝土有壓碎現(xiàn)象。S — 3試件破壞時(shí)，試件輕微外鼓，管內(nèi)的填充混凝土和原柱混凝土壓碎，套管焊縫有開(kāi)裂現(xiàn)象。

(a) S-0(b)S-1

(c) S-2(d) S-3

通過(guò)試驗(yàn)得到的加固后的墩柱的極限承載力實(shí)測(cè)值如表4所示。

表4 外套鋼管加固原墩柱承載力的試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果對(duì)比Table4 Thetestandcalculationalvaluesforbearingcapac-ityofreinforcedconretecolumn試件編號(hào)N實(shí)/kNN文/kNN規(guī)/kNN文/N實(shí)N規(guī)/N實(shí)S—01460S—13493333231080.950.89S—23987376434780.940.88S—34401433139270.980.89 注:N實(shí)為加固結(jié)構(gòu)承載力實(shí)測(cè)值,N文為按計(jì)算公式計(jì)算所得加固結(jié)構(gòu)承載力計(jì)算值。N規(guī)為按《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程[9]》所計(jì)算的加固結(jié)構(gòu)局壓承載力。

表4表明： 加固結(jié)構(gòu)承載力N文/N實(shí)∈(0.94,0.98)，本文計(jì)算公式結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果符合較好，是良好的鋼管外套鋼筋混凝土柱結(jié)構(gòu)承載力計(jì)算方法。同時(shí)表中加固試件S — 1、S — 2、S — 3與未加固S — 0試件承載力對(duì)比可看出加固試件的承載力明顯提高。

從表4中可看出: 本文的計(jì)算公式的計(jì)算結(jié)果優(yōu)于按《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》所計(jì)算的承載力的結(jié)果，更接近于試驗(yàn)的實(shí)測(cè)值。對(duì)于N規(guī)相對(duì)于實(shí)測(cè)值有較大差異主要是由于，其局壓承載提高系數(shù)采用的同一般螺旋套箍混凝土相同系數(shù)，相對(duì)過(guò)于保守，而且其承載力計(jì)算中不能完全體現(xiàn)填充混凝土的強(qiáng)度對(duì)于加固結(jié)構(gòu)承載力的貢獻(xiàn)。雖然N規(guī)與試驗(yàn)結(jié)果有一定差異，但N規(guī)可以作為計(jì)算情況1外套鋼管加固鋼筋混凝土柱結(jié)構(gòu)承載力的一種參考。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)外套鋼管加固鋼筋混凝土短柱承載力的計(jì)算公式推導(dǎo)及實(shí)驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論：

① 說(shuō)明本文的加固結(jié)構(gòu)極限承載力計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合較好，是良好的鋼管外套鋼筋混凝土柱結(jié)構(gòu)承載力計(jì)算方法。

② 本文中定義θ1套箍指標(biāo)為外套鋼管對(duì)原有核心柱的套箍指標(biāo)，此定義使外包鋼管對(duì)核心混凝土柱的套箍作用顯示更直觀，同時(shí)可以區(qū)分鋼管內(nèi)原有柱混凝土和填充混凝土各自對(duì)加固結(jié)構(gòu)承載力的貢獻(xiàn)。本文的計(jì)算公式根據(jù)力學(xué)平衡條件推導(dǎo)得出，因此加固結(jié)構(gòu)計(jì)算承載力力學(xué)概念清晰實(shí)用范圍更通用。

③ 本文的計(jì)算公式的計(jì)算結(jié)果優(yōu)于按《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》所計(jì)算的承載力的結(jié)果。同時(shí)表明對(duì)本文加固結(jié)構(gòu)不能按局壓鋼管混凝土計(jì)算其承載力，但N規(guī)可以作為計(jì)算情況1外套鋼管加固鋼筋混凝土柱結(jié)構(gòu)承載力的一種參考。

[1] 韓林海，楊有福.現(xiàn)代鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)[M]，北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004:77-91.

[2] 鐘善桐.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)[D].北京：清華大學(xué)出版社,2003: 231-268.

[3] 蔡紹懷.現(xiàn)代鋼管混凝土結(jié)構(gòu)[M].北京：人民交通出版社,2003:35-56.

[4] 蔡紹懷，焦占拴.鋼管混凝土短柱的基本性能和強(qiáng)度計(jì)算[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),1984(6):13-29.

[5] 袁文伯譯.極限平衡法的結(jié)構(gòu)承載能力的計(jì)算[M].北京：建筑工程出版社,1958.

[6] Kato B. Column curves of steel-concrete composite members. Journal of Constructional Steel Research,1996.

[7] McAteer P, Bonacci J F, Lachemi M. Composite response of high-strength concrete confined by circularsteel tube. ACI Structural Journal,2004.

[8] 劉威.鋼管混凝土局部受壓時(shí)的工作機(jī)理研究[D].福州:福州大學(xué)，2005.

[9] CECS28:90,鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程[S].

Research on Bearing Capacity of External Steel Tube Reinforced Existed Ferroconcrete Column

LIU Jinsheng, QIAN Yongjiu

(School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, Sichuan 610031, China)

The existed concrete column reinforced by external steel tube is a common reinforcement technique and widely used in engineering. However, the computational theory on bearing capacity of the reinforced structure is insufficient at present. In the condition that completely unloading before the existed column concrete is reinforced or the initial stress level is low, the mechanics characteristics of reinforced components are analyzed based on the limit equilibrium method, and then the computational equations of the bearing capacity subjected to axial loading after the short column pier reinforced of structure have been deduced. Comparing the calculation results with the correspondent experimental data shows that the deduced equation can provide a reasonable result for predicting the axial bearing capacity, which provides a support for the computation of the bearing capacity for the reinforcement pier in practice.

limit equilibrium method; bridge reinforcement; steel tube reinforcement; bridge piers

2015 — 04 — 10

劉金升(1979 — )，男，遼寧瓦房店人，博士研究生，主要從事橋梁的維修和加固研究。

U 445.7+2

A

1674 — 0610(2016)05 — 0107 — 06