鋼護(hù)筒-鋼筋混凝土組合構(gòu)件在軸向受力狀態(tài)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(yùn)行業(yè)正快速發(fā)展。為滿足內(nèi)河航運(yùn)對大型、專業(yè)化碼頭的需要，國內(nèi)提出了大水位差（水位大于20m）架空直立式碼頭結(jié)構(gòu)形式，在此形式上進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、科學(xué)研究和工程實(shí)踐，以達(dá)到充分了解其結(jié)構(gòu)特性的目的。本文基于鋼護(hù)筒-鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，研究其在軸力作用下的承載特性、結(jié)構(gòu)變化和破壞模式，為實(shí)際工程建設(shè)提供參考性作用。

關(guān)鍵詞：軸向受力;承載特性;結(jié)構(gòu)變形;破壞模式

中圖分類號(hào)：U655 ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006—7973（2019）05-0097-02

“一帶一路”倡議下，為滿足內(nèi)河航運(yùn)對大型、專業(yè)化碼頭的需要，國內(nèi)提出了在大水位差（水位大于20m）架空直立式碼頭結(jié)構(gòu)形式，并進(jìn)行了大量的科學(xué)研究和工程實(shí)踐。徐俊杰針對大水位差架空直立式碼頭的結(jié)構(gòu)型式及特點(diǎn)和適應(yīng)性進(jìn)行了歸納，且對碼頭的樁基礎(chǔ)、上部結(jié)構(gòu)及其接岸結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)的計(jì)算要點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)評(píng)[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(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的荷載工況進(jìn)行了數(shù)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(shù)值[2-3]。劉全興等采用ABAQUS有限元軟件，模擬內(nèi)河大水位差碼頭結(jié)構(gòu)在受到船舶撞擊時(shí)的破壞情況，得出其破壞模式[4]。目前，對垂直碼頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、靜力分析和動(dòng)力分析進(jìn)行了研究方面較為普遍。

本文以鋼護(hù)筒-鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為例，研究了鋼護(hù)筒-鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在長期軸力作用下的承載特性和破壞模式，為工程實(shí)際施工提供參考價(jià)值。

1承載豎向承載能力特性

本文設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)6組，分別采用大型港工結(jié)構(gòu)多功能試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)。

表2表明，1號(hào)試件（素混凝土試件）的極限承載能力低于4號(hào)試件（鋼筋混凝土試件），即由于鋼筋作用增強(qiáng)對核心混凝土構(gòu)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(shí)，5號(hào)試件和6號(hào)試件均為設(shè)計(jì)鋼護(hù)筒-鋼筋混凝土構(gòu)件，其實(shí)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(gòu)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(yù)測2、3號(hào)試件的極限承載能力，且預(yù)測差值較小。然而，該計(jì)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(jì)算數(shù)值明顯低于實(shí)測值，且遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)鋼護(hù)筒-鋼筋混凝土試件數(shù)值。因此，樁結(jié)構(gòu)試件其極限承載能力不僅受配筋率影響，還收鋼護(hù)筒作用的影響，即實(shí)際工程設(shè)計(jì)需考慮鋼護(hù)筒和配筋率對核心混凝土的約束作用，避免實(shí)際工程材料浪費(fèi)。

2豎向承載能力破壞模式

圖2為試驗(yàn)試件破壞模式，由圖可知，1號(hào)試件（素混凝土試件）在達(dá)到極限承載荷載時(shí)樁端突然破碎，整體破壞模式為脆性破壞，且破碎長度達(dá)整個(gè)樁長的300mm。2號(hào)試件（鋼護(hù)筒-混凝土試件）其鋼護(hù)筒加強(qiáng)了對混凝土的約束作用，致使其在達(dá)到極限承載荷載時(shí)試件出現(xiàn)局部破碎且屈曲。4號(hào)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(dá)到極限荷載時(shí)出現(xiàn)局部破碎，提高了混凝土力學(xué)性能。在鋼筋和鋼護(hù)筒的雙重約束下，加載過程中，5號(hào)試件逐漸出現(xiàn)彎曲變形，且在達(dá)到極限承載荷載時(shí)發(fā)生彎曲破壞。6號(hào)試件在加載過程中前期呈現(xiàn)出5號(hào)試件變形特征，但當(dāng)其達(dá)到極限承載荷載時(shí)試件的鋼護(hù)筒焊縫突然裂開，且核心混凝土發(fā)生脆性破壞。

3 總結(jié)

本文考慮鋼護(hù)筒厚度與配筋率，設(shè)計(jì)6種試驗(yàn)構(gòu)件，經(jīng)試驗(yàn)研究表明：鋼護(hù)筒作用可增強(qiáng)對鋼筋混凝土構(gòu)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(xué)性能，在實(shí)際工程中具有切實(shí)可行的利用價(jià)值。同時(shí)，隨著鋼護(hù)筒厚度的增加，其對鋼筋混凝土試件的約束效果逐漸增強(qiáng)，試件破壞形式符合延性破壞趨勢。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐俊杰.內(nèi)河大水位差架空直立式碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].水運(yùn)工程，2006（S1）：62-67.

[2]王多銀，宋成濤，溫焰清，黃然等.三峽庫區(qū)變動(dòng)回水區(qū)架空直立式碼頭結(jié)構(gòu)形式研究[J].水運(yùn)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(jié)構(gòu)型式研究[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008（1）：139-143.

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

[5]蔣正施，汪承志，李鵬飛.鋼護(hù)筒-鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗拉彎性能試驗(yàn)研究[J].中國水運(yùn)（下半月），2018，18（03）：221-222+234.