考虑泥皮及径厚比影响下钢混组合桩的抗弯性能试验研究

　　摘 要：为研究灌注桩施工过程中残留的泥皮厚度及不同钢管径厚比对钢管混凝土抗弯性能的影响，采用模拟水下浇筑混凝土的方法制备了6根钢管混凝土组合桩试件，对其进行了纯弯试验及截面测量，得到了各试件的弯矩-跨中挠度曲线、弯矩-曲率曲线、受弯承载力及抗弯刚度等. 试验结果表明：泥皮的存在会削弱钢混组合桩的抗弯性能，使其抗弯刚度降低5%～25%，极限受弯承载力降低5%～10%，且径厚比越小受泥皮的影响越明显;当泥皮存在时，径厚比的减小使得钢混组合桩受弯承载力及抗弯刚度的提升幅度不如无泥皮状态;存有残留泥皮的钢混组合桩在受弯过程中截面不再符合平截面假定;采用统一理论所计算的抗弯承载力与试验值吻合较好，但随泥皮厚度增长，逐渐较试验值偏大，导致设计预留的安全储备降低;抗弯刚度的计算公式组合系数出现明显下降，组合系数在0.1～0.4左右.

　　关键词：钢管混凝土;钢混组合桩;泥皮;径厚比;抗弯性能;受弯承载力

　　《中国医院建筑与装备》(月刊)创刊于2000年，是中华人民共和国卫生部主管、卫生部医院管理研究所主办的卫生工程与医学装备技术学科领域的权威刊物。

　　鋼管混凝土不仅有质量可控性高、可受冲击力强、耐疲劳、塑性能力强、耐火性好等优点[1]，而且在施工过程中，可直接使用钢护筒作为模板，还具有施工简单快速等施工优势[2].

　　在一些桥梁工程中，钢管混凝土作为基础构件已被广泛使用[3]，此时钢管混凝土在承受竖向荷载的同时还会承受因波浪力、物体冲击以及地震作用等一系列水平荷载，因此对钢管混凝土的抗弯性能应予以重视. 目前对钢管混凝土的研究多集中在受压性能研究[4-11]，关于钢管混凝土抗弯性能的研究较少，且很少涉及泥皮、径厚比等因素的影响. 施工时残留的泥皮会减弱钢管与混凝土之间黏结及整体性，从而对钢混组合桩的抗弯性能产生影响. 同时在施工过程中需对钢护筒进行合理选取以便使施工更快速高效，而钢管径厚比的选择是钢管混凝土构件设计的关键，直接关系到构件的承载能力和经济性[12].

　　因此，本文主要在钢管和混凝土之间模拟添加了施工过程中产生的泥皮，并设置了不同径厚比的钢管，采用纯弯试验分析了泥皮及径厚比对钢管混凝土组合桩抗弯性能的影响规律，并在内部设置应变片观察了存在泥皮时钢混组合桩在受弯过程中截面应变分布，最后通过理论计算与实测数据对比给出了泥皮存在对理论公式计算的影响及抗弯刚度组合系数.

　　1 试验研究

　　1.1 试验概况

　　本次试验旨在通过四点纯弯试验研究钢混组合桩的抗弯性能. 试验制作的试件共计6根，长为

　　4 000 mm，对比试验分为两大类，一类用来研究泥皮的影响，另一类用来研究径厚比的影响. 试件的具体参数如表1所示.

　　为尽可能模拟现场施工环境下钢混组合桩的力学性能，试验采用的试件全部为施工现场制作，使用的钢管为国标Q235b螺旋焊管，钢管直径均为426 mm，壁厚分别为5 mm与10 mm. 钢管的力学性能参数如表2所示. 浇筑试件所采用的混凝土为现场浇筑桩基的C60混凝土，试件浇筑采用同批次混凝土，采用相同方式浇筑，其具体配合比如表3所示. 制作试件时，对同一批次试件留制 150 mm×150 mm×150 mm混凝土材性试块，并将此材性试块与构件在同等养护条件下养护28 d，用以测定混凝土的力学性能，混凝土的力学性能指标如表4所示. 管内纵筋采用16 mm的HRB400熱轧螺纹钢筋，箍筋采用10 mm的HPB300热轧光圆钢筋.

　　1.2 泥皮制作及混凝土浇筑

　　泥皮使用现场泥浆制作，泥皮的厚度通过泥浆密度控制. 制作薄泥皮所采用的泥浆为第二次清孔时的泥浆，即钢混组合桩现场施工时下放钢筋笼之后清孔时的泥浆，泥浆密度约为1.15 g/mm3;制作厚泥皮所采用的泥浆为第一次清孔时的泥浆，即旋挖机钻孔完毕后孔内的泥浆，泥浆密度约为1.2 g/mm3.

　　泥皮制作过程将模仿钢混组合桩泥浆护壁水下浇筑混凝土的方式，尽量使制作过程和现场施工接近，具体流程如下：

　　1)从钢混组合桩现场施工孔内取得泥浆，并将泥浆灌满钢管;

　　2)采用PVC管进行导流，将准备好的PVC管插入钢管，使PVC管下部距钢管底部有30～50 cm的距离，并将集料漏斗置于PVC管上方，使漏斗口能够卡进管口，同时用塞子将漏斗口堵住;

　　3)在集料漏斗内灌满混凝土并快速拔出塞子，使斗内的混凝土全部倒入钢管内，同时将泥浆从钢管管口挤出;

　　4)当混凝土灌入而泥浆不再排出时，把PVC管稍微上提，见有大量泥浆流出后接着灌注混凝土. 按照这种方法边浇筑边拔管，直到将钢管内灌满混凝土为止，其间轻敲钢管壁以使混凝土均匀分布.

　　1.3 试验加载及布置方案

　　采用图1所示的加载装置进行钢混组合桩的四点纯弯试验. 抗弯试验加载方式为双向进油液压千斤顶单调分级静力加载. 试验加载台为4 m × 5 m × 4 m的混凝土加载池，反力架的加载上限为2 000 kN. 受弯试件长4 m，支座之间的距离为3.6 m. 加载段长为3.6 m，两端各有0.2 m搭接在支座上. 支座与试件之间的连接为铰连接. 通过荷载分配梁分配从千斤顶传递下来的竖向荷载，荷载分配梁使用U型卡座与试件相连. 荷载分配梁的长度为1.2 m，分配梁的加载点位于试件加载段的三分点处. 在试件的跨中及荷载分配梁的加载点下方放置3个百分表用于测量试件的挠度. 试件内部纵筋及钢管表面分别贴有应变片用于研究钢混组合桩受弯过程中的应变情况. 加载过程初期阶段，每级加载为预估极限荷载的10%，每级加载后记录百分表数值及应变数值，荷载持续时间为2～3 min之后再进行下一级记载. 当试件出现非线性变化时，每级荷载变为预估极限荷载的5%，每级荷载持续时间为2 min. 在试件非线性变化接近破坏时，采用缓慢连续加载直至试件破坏.

　　试验现场加载装置布置如图2所示.试验时每根试件共布置了两个测试截面，每个测试截面中混凝土内部的钢筋上共布置了4个应变片，钢管外壁上共布置了5个应变片，内外总共布置9个应变片，具体布置如图3所示. 图3中，编号以G开头的应变片为布置在钢管表面的应变片;编号以J开头的应变片为布置在主筋上的应变片. 图中标注的尺寸为各个应变片距测量截面底部的距离，分别为0 mm、33 mm、63 mm、213 mm、363 mm、393 mm和426 mm.

　　1.4 加载过程

　　在加载初期，试件跨中与加载点的挠度发展并不明显. 随着荷载的增大，百分表的读数均匀增加. 当荷载值接近最大加载值的20%～30%时，加载过程中可以听到清脆的混凝土开裂声;荷载继续增大至最大加载值的50%时，混凝土开裂的声音越来越明显，跨中挠度的读数也开始非线性增大;当荷载加载至最大加载值的75%附近时，试件会发出“咚”的声音，可以推测此处受压区混凝土由于受到三向压力的作用最终发生了受压破坏，试件的非线性显著增强;随着荷载继续增加，试件的挠度迅速发展，表层残留的锈迹脱落严重. 油压千斤顶维持荷载变得越来越困难，最终试件无法继续承担荷载，此时可以认为试件已经发生了弯曲破坏.

　　2 试验结果及分析

　　2.1 试验现象

　　在纯弯试验结束后，对试件进行了切割以观察核心混凝土的受弯破坏特征. 内部混凝土的破坏情况如图4所示.

　　从图4中可以看出，虽然外部的钢管没有出现明显的变化，但是内部的混凝土已经产生了大量的裂缝. 在钢混组合桩受弯时，由于受拉区混凝土会迅速开裂并丧失承载力，试件的中和轴将会上移. 随着荷载的不断增大，混凝土受拉裂缝不断向上发展，混凝土的受压区会不断地减小. 观察裂缝的位置可知，裂缝均分布在纯弯段部分，混凝土的受拉区已经全部开裂，竖向裂缝已经延伸至形心轴上方.

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文章名称： 考虑泥皮及径厚比影响下钢混组合桩的抗弯性能试验研究

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