鋼護筒-鋼筋混凝土組合構件在軸向受力狀態下的承載特性和破壞模式

曹棉

摘 要：在“一帶一路”倡議下，我國水運行業正快速發展。為滿足內河航運對大型、專業化碼頭的需要，國內提出了大水位差（水位大于20m）架空直立式碼頭結構形式，在此形式上進行了大量的實驗設計、科學研究和工程實踐，以達到充分了解其結構特性的目的。本文基于鋼護筒-鋼筋混凝土結構，研究其在軸力作用下的承載特性、結構變化和破壞模式，為實際工程建設提供參考性作用。

關鍵詞：軸向受力;承載特性;結構變形;破壞模式

中圖分類號：U655 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1006—7973（2019）05-0097-02

“一帶一路”倡議下，為滿足內河航運對大型、專業化碼頭的需要，國內提出了在大水位差（水位大于20m）架空直立式碼頭結構形式，并進行了大量的科學研究和工程實踐。徐俊杰針對大水位差架空直立式碼頭的結構型式及特點和適應性進行了歸納，且對碼頭的樁基礎、上部結構及其接岸結構等設計的計算要點進行點評[1]。王多銀教授等以大水位差全直樁架空直立式碼頭為研究對象，利用有限元軟件SAP2000對碼頭結構在水平荷載作用下的荷載工況進行了數值分析，通過提取各排架基底剪力，與水平撞擊荷載相比，得到了不同水平荷載作用位置下的撞擊荷載分配系數值[2-3]。劉全興等采用ABAQUS有限元軟件，模擬內河大水位差碼頭結構在受到船舶撞擊時的破壞情況，得出其破壞模式[4]。目前，對垂直碼頭的結構設計、靜力分析和動力分析進行了研究方面較為普遍。

本文以鋼護筒-鋼筋混凝土結構為例，研究了鋼護筒-鋼筋混凝土結構在長期軸力作用下的承載特性和破壞模式，為工程實際施工提供參考價值。

1承載豎向承載能力特性

本文設計實驗6組，分別采用大型港工結構多功能試驗系統進行加載實驗。

表2表明，1號試件（素混凝土試件）的極限承載能力低于4號試件（鋼筋混凝土試件），即由于鋼筋作用增強對核心混凝土構件的約束作用，致使其極限承載能力大于素混凝土試件。同時，5號試件和6號試件均為設計鋼護筒-鋼筋混凝土構件，其實測極限承載能力較素混凝土試件和鋼筋混凝土試件有極大提升。其中，提升素混凝土試件極限承載能力1倍以上，提升鋼筋混凝土構件極限承載能力0.5倍以上。

此外，從圖1可以看出，公式（1）可預測2、3號試件的極限承載能力，且預測差值較小。然而，該計算公式只考慮核心混凝土極限承載作用，未考慮鋼筋對核心混凝土的約束作用，其計算數值明顯低于實測值，且遠小于設計鋼護筒-鋼筋混凝土試件數值。因此，樁結構試件其極限承載能力不僅受配筋率影響，還收鋼護筒作用的影響，即實際工程設計需考慮鋼護筒和配筋率對核心混凝土的約束作用，避免實際工程材料浪費。

2豎向承載能力破壞模式

圖2為試驗試件破壞模式，由圖可知，1號試件（素混凝土試件）在達到極限承載荷載時樁端突然破碎，整體破壞模式為脆性破壞，且破碎長度達整個樁長的300mm。2號試件（鋼護筒-混凝土試件）其鋼護筒加強了對混凝土的約束作用，致使其在達到極限承載荷載時試件出現局部破碎且屈曲。4號試件（鋼筋混凝土試件）其鋼筋抑制核心混凝土的變形，致使其在達到極限荷載時出現局部破碎，提高了混凝土力學性能。在鋼筋和鋼護筒的雙重約束下，加載過程中，5號試件逐漸出現彎曲變形，且在達到極限承載荷載時發生彎曲破壞。6號試件在加載過程中前期呈現出5號試件變形特征，但當其達到極限承載荷載時試件的鋼護筒焊縫突然裂開，且核心混凝土發生脆性破壞。

3 總結

本文考慮鋼護筒厚度與配筋率，設計6種試驗構件，經試驗研究表明：鋼護筒作用可增強對鋼筋混凝土構件的約束作用，可有效提升試件極限承載能力，改變鋼筋混凝土試件力學性能，在實際工程中具有切實可行的利用價值。同時，隨著鋼護筒厚度的增加，其對鋼筋混凝土試件的約束效果逐漸增強，試件破壞形式符合延性破壞趨勢。

參考文獻：

[1]徐俊杰.內河大水位差架空直立式碼頭結構設計[J].水運工程，2006（S1）：62-67.

[2]王多銀，宋成濤，溫焰清，黃然等.三峽庫區變動回水區架空直立式碼頭結構形式研究[J].水運工程，2011（3）：54-58.

[3]王多銀，田建柱.大水位差架空直立式集裝箱碼頭結構型式研究[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2008（1）：139-143.

[4]劉全興，王多銀，黃然等.船舶撞擊下內河大水位差碼頭破壞模式研究[J].港工技術，2010（4）：14-16.

[5]蔣正施，汪承志，李鵬飛.鋼護筒-鋼筋混凝土結構抗拉彎性能試驗研究[J].中國水運（下半月），2018，18（03）：221-222+234.