C60高強混凝土局部受壓強度試驗研究

丁華仁

(廣西桂通工程管理集團有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

公路橋梁作為交通體系中至關(guān)重要的一部分，近年來得到了迅速的發(fā)展，橋梁跨度“世界之最”不斷刷新。但隨著橋梁跨度的不斷增大，也帶來了一系列技術(shù)問題。伴隨工程應(yīng)用數(shù)量及跨徑的發(fā)展，大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋的過量下?lián)虾烷_裂病害等問題不斷凸顯，嚴(yán)重制約其發(fā)展與應(yīng)用，病害問題亟待解決。連續(xù)剛構(gòu)橋的下?lián)虾烷_裂成因十分復(fù)雜，這兩個問題相互影響，開裂后的梁截面慣性矩降低，也降低了梁體的剛度，增大了梁體下?lián)纤俾?；而梁體過量下?lián)献冃?，也會?dǎo)致結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生。因此提高梁體混凝土的強度和剛度成為解決梁體開裂和下?lián)系年P(guān)鍵手段。

隨著高強混凝土技術(shù)的普及，大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)梁體混凝土強度等級已普遍在C50以上。高強混凝土具有抗壓強度高、耐久性好但是脆性大的特點。對于工程結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵受力部位，可通過采用高強鋼筋來增加結(jié)構(gòu)延性，避免脆性破壞。目前工程應(yīng)用較多的高強鋼筋為普通熱軋帶肋鋼筋HRB400和HRB500。普通熱軋鋼筋具有良好的延伸率和塑性，可以很好地改善高強混凝土的延性。

本文擬采用試驗的方法對高強混凝土結(jié)構(gòu)進行局部受力分析，探究高強鋼筋箍筋強度、箍筋形式和配箍率對其局部受壓強度及變形特性的影響，為高強混凝土在大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋中的應(yīng)用提供思路與借鑒。

1 C60混凝土的局部受壓強度

1.1 項目概況

南寧南過境線(吳圩機場至隆安段)高速公路沙尾左江特大橋長968.5 m，起訖樁號為K22+638.500～K23+606.793，中心樁號為K23+182.545，橋型結(jié)構(gòu)為(9×40)m+(1×360)m+(6×40)m。該橋主橋設(shè)計主墩(拱座)兩個，分別位于左江兩岸，吳圩側(cè)主墩距離左江約50 m，隆安側(cè)主墩距離左江約15 m。吳圩側(cè)主橋拱座采用擴大基礎(chǔ)，以中風(fēng)化巖層作為基礎(chǔ)持力層；隆安側(cè)主橋拱座采用擴大基礎(chǔ)，以下伏中風(fēng)化巖層作為基礎(chǔ)持力層。

主橋采用計算跨徑為360 m的鋼管混凝土中承式提籃拱橋，矢跨比為1/4.533，主拱軸線為懸鏈線，拱軸系數(shù)m=1.55。拱肋為鋼管混凝土桁架式結(jié)構(gòu)，共有兩片拱肋。兩拱肋在豎直面內(nèi)向橋軸線側(cè)傾斜10°，形成提籃式，拱鉸鉸心橫橋向中心間距為38 m。單片拱肋采用變高度四管桁式截面，拱頂截面徑向高7 m，拱腳截面徑向高12 m，肋寬3.2 m。每肋上弦、下弦均為兩根φ1 200 mm鋼管混凝土弦管，壁厚為24?偆?32 mm，管內(nèi)混凝土采用C60自密實補償收縮混凝土。主拱肋通過φ720 mm綴管和豎向兩根φ610 mm腹桿鋼管連接主管而構(gòu)成矩形截面。主拱弦管采用Q345qC鋼材。單根拱肋分16個節(jié)段加工制作及安裝，節(jié)段最大吊裝重量為138.4 t。

1.2 試驗設(shè)計

局部受力結(jié)構(gòu)是通過局部受力區(qū)域?qū)⒑奢d傳遞給支撐結(jié)構(gòu)，其為橋梁結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵傳力結(jié)構(gòu)，關(guān)乎橋梁結(jié)構(gòu)的安全。由于局部受力區(qū)域下的混凝土承受高應(yīng)力而導(dǎo)致變形增大，因此通常采用螺旋箍筋或焊接網(wǎng)片約束混凝土，使局部受力區(qū)域下的混凝土形成約束混凝土，限制混凝土結(jié)構(gòu)的橫向變形，提高混凝土的強度和剛度，進而提高結(jié)構(gòu)的安全性。

本試驗主要研究局部受力結(jié)構(gòu)的局部受壓情況，采用尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件，分別內(nèi)置矩形螺旋箍筋和矩形箍筋兩種混凝土箍筋約束形式?；炷敛捎肅60標(biāo)號的高強混凝土，配合比設(shè)計見表1。取1組(3個)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室養(yǎng)護28d的立方體試件，進行混凝土抗壓強度試驗，得出抗壓強度為73.2 MPa。

表1 生產(chǎn)配合比設(shè)計表(kg)

高強鋼筋選擇直徑為6 mm、抗拉強度為1 860 MPa的高強鋼筋和熱軋帶肋鋼筋HRB500。為分析高強混凝土結(jié)構(gòu)強度及剛度的影響因素，以箍筋強度、配箍率、箍筋形式作為試驗變量，根據(jù)箍筋強度和箍筋形式，將試件分為A、B、C三組，每組包含7個試件，每組的箍筋間距均由20 mm逐漸增加到80 mm，配筋率由1.38%逐漸降低到0.25%；A、B兩組的箍筋形式均為矩形螺旋箍筋，箍筋極限抗拉強度分別為1 860 MPa和630 MPa；C組的箍筋形式為矩形箍筋，箍筋極限抗拉強度為1 860 MPa。試件設(shè)計參數(shù)見表2。

表2 試件編號及試驗參數(shù)設(shè)計表

1.3 局部受壓試驗

局部受壓試驗加載方式采用直徑為50 mm的圓柱體剛性沖模模擬箍筋約束混凝土的局部受壓受力模式，通過萬能材料試驗機，采用荷載保持、位移控制的加載方式，壓至試件完全破壞，記錄局部承載力大小，即為試件的局部受壓極限承載力。螺距為50 mm的箍筋約束混凝土試件采集的荷載-位移曲線如圖1～3所示。

圖1 螺距為50 mm的HRB500螺旋箍筋約束混凝土構(gòu)件荷載-位移曲線圖

圖2 螺距為50 mm的1 860 MPa螺旋箍筋約束混凝土構(gòu)件荷載-位移曲線圖

圖3 螺距為50 mm的1 860 MPa矩形箍筋約束混凝土構(gòu)件荷載-位移曲線圖

2 結(jié)果處理與分析

2.1 局部受壓試驗結(jié)果

根據(jù)式(1)，將采集到的不同螺距下的試件極限承載力F換算為應(yīng)力值P，結(jié)果見表3。

(1)

式中：P——換算后的局部受壓極限承載力(MPa);

F——試驗采集的局部受壓極限承載力(N)；

表3 不同螺距下的局部受壓極限承載力試驗結(jié)果表

2.1.1 強度特性

在力的作用下，局部受力結(jié)構(gòu)中接近直接承載面下的混凝土承受的壓力值最大，直接承載面周圍的應(yīng)力集中最明顯(見圖4)。直接承載面下的結(jié)構(gòu)混凝土開裂后產(chǎn)生橫向位移，因此可通過箍筋限制橫向位移發(fā)展，進而提高整個結(jié)構(gòu)的承載力值。

圖4 局部受壓受力機理示意圖

將表2中局部受壓極限承載力試驗結(jié)果繪制成圖5。通過圖5可得到不同箍筋在不同配筋率下約束混凝土的局部受壓極限承載力試驗結(jié)果。從圖5試驗結(jié)果來看：

(1)當(dāng)選擇箍筋強度為1 860 MPa時，在相同配筋率下，箍筋形式為矩形箍筋的約束混凝土構(gòu)件的局部受壓極限承載力略高于箍筋形式為矩形螺旋箍筋的，但數(shù)值相差不大，說明矩形箍筋和矩形螺旋箍筋兩種箍筋形式對局部受壓極限承載力的貢獻值無差別。

(2)當(dāng)箍筋形式同為矩形螺旋箍筋時，在相同配筋率下，強度為1 860 MPa的箍筋約束混凝土構(gòu)件的局部受壓極限承載力數(shù)值大小約為HRB500箍筋的1.5倍，說明鋼筋強度越高，高強混凝土結(jié)構(gòu)的局部受壓極限承載力值越大，且提高效果明顯。

(3)從圖5可以看出，箍筋約束混凝土構(gòu)件的局部受壓極限承載力與配筋率呈線性正相關(guān)，且配筋強度為1 860 MPa時，線性方程斜率越大，表明箍筋強度越高，承載力增長越快。

圖5 局部受壓極限承載力試驗結(jié)果示意圖

2.1.2 變形特性

從圖1～3來看，采用1 860 MPa箍筋約束的混凝土試件的峰值應(yīng)變要高于HRB500箍筋約束，而且箍筋形式采用矩形的試件峰值應(yīng)變明顯高于螺旋形式的。峰值應(yīng)變到極限壓應(yīng)變的應(yīng)變大小：HRB500箍筋約束混凝土試件為6.4 mm，1 860 MPa螺旋箍筋約束混凝土試件為14.7 mm，1 860 MPa矩形箍筋約束混凝土試件為10.5 mm。通過三者數(shù)值大小可以判斷其脆性的大小關(guān)系，即采用1 860 MPa鋼筋約束的混凝土試件的脆性要明顯小于HRB500鋼筋約束的混凝土試件，且箍筋形式采用矩形螺旋約束的混凝土試件的脆性要小于箍筋形式為矩形的。

2.2 工程應(yīng)用的幾點建議

針對當(dāng)前橋梁關(guān)鍵受力部位中的局部受力結(jié)構(gòu)存在強度低、為增加強度而加密配筋導(dǎo)致振搗困難、局部受力結(jié)構(gòu)的混凝土標(biāo)號高帶來的混凝土脆性高、延性差等問題，結(jié)合本試驗結(jié)果，本文提出如下建議：

(1)根據(jù)試驗結(jié)果可知，用高強鋼筋(1 860 MPa)來代替當(dāng)前局部受力混凝土結(jié)構(gòu)中的普通強度鋼筋(HRB500)，其對混凝土的約束作用更強，可以快速提升局部受力結(jié)構(gòu)的強度，防止出現(xiàn)關(guān)鍵局部受力結(jié)構(gòu)破壞而導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)或者破壞。

(2)在獲得相同的結(jié)構(gòu)強度下，可以優(yōu)先選擇高強鋼筋。高強鋼筋可以縮小相應(yīng)的配筋率，既能解決混凝土難以振搗、澆筑質(zhì)量得不到保證的問題，又能達(dá)到節(jié)約鋼材的目的。

(3)在局部受力結(jié)構(gòu)中應(yīng)用高強鋼筋約束混凝土，可以使結(jié)構(gòu)在極限狀態(tài)時鋼筋不屈服；在結(jié)構(gòu)發(fā)生大變形時，鋼筋仍處于彈性狀態(tài)，對混凝土形成更好的約束作用，防止局部受力結(jié)構(gòu)開裂，保證結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性。

(4)為防止高強混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞，采用高強鋼筋來約束高強混凝土結(jié)構(gòu)，可增強結(jié)構(gòu)延性；在同等鋼筋強度下，為防止過大變形，可以采用螺旋箍筋的形式。

3 結(jié)語

由于橋梁關(guān)鍵受力部位中局部受力結(jié)構(gòu)的受力情況復(fù)雜，承受局部拉壓、局部彎曲、局部剪切、局部扭轉(zhuǎn)的復(fù)雜受力狀態(tài)，因此在橋梁結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵受力部位往往采用強度較高的高強混凝土，但也必須克服高強混凝土的缺點。本文通過對高強混凝土制作箍筋約束混凝土試件進行局部受壓試驗，對試驗結(jié)果進行分析得出：當(dāng)箍筋形式為矩形和矩形螺旋時，對箍筋約束混凝土試件的局部受壓極限承載力的提高效果相差不大；但對于箍筋約束混凝土構(gòu)件的變形而言，矩形螺旋箍筋對試件的變形約束要優(yōu)于矩形箍筋的約束效果；配箍率與局部受壓承載力呈線性正相關(guān)，且鋼筋強度越高，對承載力的提高越快。說明鋼筋強度的提高對局部受力結(jié)構(gòu)的承載能力起到了積極的作用，不僅可以快速提高承載力，還可以有效解決“低強度，高密箍”帶來的密集配筋問題。目前南寧南過境線(吳圩機場至隆安段)高速公路沙尾左江特大橋已經(jīng)通車，從通車效果來看，管內(nèi)混凝土采用C60自密實補償收縮混凝土滿足橋體強度要求，橋梁整體質(zhì)量穩(wěn)定。

高強混凝土因抗壓強度高，多被應(yīng)用到關(guān)鍵結(jié)構(gòu)當(dāng)中，但是其脆性大的特點必須著重考慮。通過配置高強鋼筋，不僅可以適當(dāng)提升其承載能力，還可以很好地改善高強混凝土脆性大的特點。針對大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位及易變形部位，可以考慮采用通過配置高強鋼筋的方法來改善高強混凝土的性能。