C60高強(qiáng)混凝土局部受壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究

丁華仁

(廣西桂通工程管理集團(tuán)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(lái)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(lái)了一系列技術(shù)問(wèn)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(guò)量下?lián)虾烷_(kāi)裂病害等問(wèn)題不斷凸顯，嚴(yán)重制約其發(fā)展與應(yīng)用，病害問(wèn)題亟待解決。連續(xù)剛構(gòu)橋的下?lián)虾烷_(kāi)裂成因十分復(fù)雜，這兩個(gè)問(wèn)題相互影響，開(kāi)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)纤俾剩欢后w過(guò)量下?lián)献冃危矔?huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生。因此提高梁體混凝土的強(qiáng)度和剛度成為解決梁體開(kāi)裂和下?lián)系年P(guān)鍵手段。

隨著高強(qiáng)混凝土技術(shù)的普及，大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)梁體混凝土強(qiáng)度等級(jí)已普遍在C50以上。高強(qiáng)混凝土具有抗壓強(qiáng)度高、耐久性好但是脆性大的特點(diǎn)。對(duì)于工程結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵受力部位，可通過(guò)采用高強(qiáng)鋼筋來(lái)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(qiáng)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(qiáng)混凝土的延性。

本文擬采用試驗(yàn)的方法對(duì)高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部受力分析，探究高強(qiáng)鋼筋箍筋強(qiáng)度、箍筋形式和配箍率對(duì)其局部受壓強(qiáng)度及變形特性的影響，為高強(qiáng)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(qiáng)度

1.1 項(xiàng)目概況

南寧南過(guò)境線(吳圩機(jī)場(chǎng)至隆安段)高速公路沙尾左江特大橋長(zhǎng)968.5 m，起訖樁號(hào)為K22+638.500～K23+606.793，中心樁號(hào)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(jì)主墩(拱座)兩個(gè)，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(kuò)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(kuò)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(jì)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(shí)補(bǔ)償收縮混凝土。主拱肋通過(guò)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(gè)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(yàn)設(shè)計(jì)

局部受力結(jié)構(gòu)是通過(guò)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(qiáng)度和剛度，進(jìn)而提高結(jié)構(gòu)的安全性。

本試驗(yàn)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。混凝土采用C60標(biāo)號(hào)的高強(qiáng)混凝土，配合比設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。取1組(3個(gè))標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28d的立方體試件，進(jìn)行混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得出抗壓強(qiáng)度為73.2 MPa。

表1 生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)表(kg)

高強(qiáng)鋼筋選擇直徑為6 mm、抗拉強(qiáng)度為1 860 MPa的高強(qiáng)鋼筋和熱軋帶肋鋼筋HRB500。為分析高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度的影響因素，以箍筋強(qiáng)度、配箍率、箍筋形式作為試驗(yàn)變量，根據(jù)箍筋強(qiáng)度和箍筋形式，將試件分為A、B、C三組，每組包含7個(gè)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(qiáng)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(qiáng)度為1 860 MPa。試件設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 試件編號(hào)及試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)表

1.3 局部受壓試驗(yàn)

局部受壓試驗(yàn)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(guò)萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，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(yàn)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(jiàn)表3。

(1)

式中：P——換算后的局部受壓極限承載力(MPa);

F——試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果表

2.1.1 強(qiáng)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?chē)膽?yīng)力集中最明顯(見(jiàn)圖4)。直接承載面下的結(jié)構(gòu)混凝土開(kāi)裂后產(chǎn)生橫向位移，因此可通過(guò)箍筋限制橫向位移發(fā)展，進(jìn)而提高整個(gè)結(jié)構(gòu)的承載力值。

圖4 局部受壓受力機(jī)理示意圖

將表2中局部受壓極限承載力試驗(yàn)結(jié)果繪制成圖5。通過(guò)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(yàn)結(jié)果。從圖5試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看：

(1)當(dāng)選擇箍筋強(qiáng)度為1 860 MPa時(shí)，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(shuō)明矩形箍筋和矩形螺旋箍筋兩種箍筋形式對(duì)局部受壓極限承載力的貢獻(xiàn)值無(wú)差別。

(2)當(dāng)箍筋形式同為矩形螺旋箍筋時(shí)，在相同配筋率下，強(qiáng)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(shuō)明鋼筋強(qiáng)度越高，高強(qiáng)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(qiáng)度為1 860 MPa時(shí)，線性方程斜率越大，表明箍筋強(qiáng)度越高，承載力增長(zhǎng)越快。

圖5 局部受壓極限承載力試驗(yàn)結(jié)果示意圖

2.1.2 變形特性

從圖1～3來(lái)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(guò)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(diǎn)建議

針對(duì)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(qiáng)度低、為增加強(qiáng)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(hào)高帶來(lái)的混凝土脆性高、延性差等問(wèn)題，結(jié)合本試驗(yàn)結(jié)果，本文提出如下建議：

(1)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，用高強(qiáng)鋼筋(1 860 MPa)來(lái)代替當(dāng)前局部受力混凝土結(jié)構(gòu)中的普通強(qiáng)度鋼筋(HRB500)，其對(duì)混凝土的約束作用更強(qiáng)，可以快速提升局部受力結(jié)構(gòu)的強(qiáng)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(qiáng)度下，可以優(yōu)先選擇高強(qiáng)鋼筋。高強(qiáng)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(wèn)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(qiáng)鋼筋約束混凝土，可以使結(jié)構(gòu)在極限狀態(tài)時(shí)鋼筋不屈服；在結(jié)構(gòu)發(fā)生大變形時(shí)，鋼筋仍處于彈性狀態(tài)，對(duì)混凝土形成更好的約束作用，防止局部受力結(jié)構(gòu)開(kāi)裂，保證結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性。

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

3 結(jié)語(yǔ)

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(qiáng)度較高的高強(qiáng)混凝土，但也必須克服高強(qiáng)混凝土的缺點(diǎn)。本文通過(guò)對(duì)高強(qiáng)混凝土制作箍筋約束混凝土試件進(jìn)行局部受壓試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析得出：當(dāng)箍筋形式為矩形和矩形螺旋時(shí)，對(duì)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(duì)于箍筋約束混凝土構(gòu)件的變形而言，矩形螺旋箍筋對(duì)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(qiáng)度越高，對(duì)承載力的提高越快。說(shuō)明鋼筋強(qiáng)度的提高對(duì)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(qiáng)度，高密箍”帶來(lái)的密集配筋問(wèn)題。目前南寧南過(guò)境線(吳圩機(jī)場(chǎng)至隆安段)高速公路沙尾左江特大橋已經(jīng)通車(chē)，從通車(chē)效果來(lái)看，管內(nèi)混凝土采用C60自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土滿足橋體強(qiáng)度要求，橋梁整體質(zhì)量穩(wěn)定。

高強(qiáng)混凝土因抗壓強(qiáng)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(diǎn)必須著重考慮。通過(guò)配置高強(qiáng)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(qiáng)混凝土脆性大的特點(diǎn)。針對(duì)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(guò)配置高強(qiáng)鋼筋的方法來(lái)改善高強(qiáng)混凝土的性能。