（市政工程专业论文）自应力钢管混凝土设计理论研究.pdf

摘要 钢管混凝土因其承载力高、经济、实用、美观等优点，在高层建筑和大跨度 桥梁中广泛应用，但普通钢管混凝土存在混凝土硬化收缩造成脱空和脱粘的问题。 自应力钢管混凝土是一种新型的钢管混凝土结构，它利用混凝土的微膨胀性能， 保证钢管与混凝土协调工作。 本文以西部交通建设科技项目自预应力钢管混凝土开发试验应用研究为 依托，开展以下方面的工作： 在课题组已有试验结果的基础上，讨论膨胀剂对自应力混凝土力学性能的 影响，拟合出弹性模量与龄期的关系曲线； 对本课题组现有自由膨胀试验数据进行深入分析，利用指数拟合方法得到 掺入不同膨胀剂试件自由膨胀率同龄期的关系； 总结了目前常用钢管混凝土极限承载力、设计承载力计算方法，对1 8 个 试件轴压承载力进行分析和对比； 引入自应力混凝土强度提高系数，研究自应力对钢管混凝土短柱轴压设计 承载力的影响； 利用大型通用软件a n s y s 建立轴压短柱有限元模型，通过施加温度荷载 来模拟核心混凝土自应力，分别建立钢管混凝土试件及自应力钢管混凝土试件轴 压短柱分析模型。计算结果表明：自应力钢管混凝土短柱的力学性能要比普通钢 管混凝土短柱优越。通过模型计算结果，研究了自应力钢管混凝土承载力提高的 原因，对比初始自应力及核心混凝土微观结构的改善对自应力钢管混凝土轴压短 柱承载力的影响。 关键词：自应力；钢管混凝土；设计理论；承载力；膨胀率；有限元 a b s t r a c t w i t ht h ea d v a n t a g e so fh i g hb e a r i n gc a p a c i t y , e c o n o m i c a le f f i c i e n c y , p r a c t i c a b i l i t y a n db e a u t y , c o n c r e t e f i l l e ds t e e lt u b e ( c f s t ) i sw i d e l yu s e di nh i g h - r i s eb u i l d i n g sa n d l o n g s p a nb r i d g e s h o w e v e r , t r a d i t i o n a lc f s th a ss o m es h o r t c o m i n g st h a ts h r i n k a g e a n dh a r d e n i n go fc o n c r e t ew i l lr e s u l ti nc a v i t i e sa n du n s t i c k s e l f - s t r e s s i n g c o n c r e t e f i l l e ds t e e lt u b e ( s c f s t ) i san e wt y p eo fc f s t , w h i c hc a ne n s u r ec o n c r e t e a n ds t e e lt ow o r kt o g e t h e rb ym i c r oe x p a n s i o np e r f o r m a n c eo fc o n c r e t e b a s e do nt h ew e s t e r nt r a n s p o r t a t i o ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g yc o n s t r u c t i o n p r o j e c t d e v e l o p m e n tt e s ta n da p p l i e d r e s e a r c ho nt h es e l f - s t r e s s i n gc o n c r e t e - f i l l e d s t e e lt u b e ，c o n t e n t sa n da c h i e v e m e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ed e s c r i b e da sf o l l o w s ： b a s e do nt h er e s u l t so fo b rp a s te x p e r i m e n t s ，t h ei m p a c t so ft h ee x p a n s i o n a g e n tt ot h es e l f - s t r e s s i n gc o n c r e t em e c h a n i c a lp r o p e r t ya n df i t st h ey o u n g sm o d u l u s c u r v ew e r ed i s c u s s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n ； a c c o r d i n gt op a s tf r e ee x p a n s i o ne x p e r i m e n t a ld a t a , c o r r e l a t i o nb e t w e e n y o u n g sm o d u l u s a n da g ei se s t a b l i s h e db yu s i n gc u r v ef i t t i n g t l l eg e n e r a lc a l c u l a t i o nm e t h o d so ft h eu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t ya n dd e s i g n b e a r i n gc a p a c i t yo fs c f s t a r es u m m e du p ，a n dc o m p a r i o nw i t ht h ec a l c u l a t i o nr e s u l to f t e s t - p i e c ei sd o n e e n h a n c e dc o e f f i c i e n to fb e a r i n gs t r e n g t h o f s e l f - s t r e s s i n g c o n c r e t ei s i n t r o d u c e d ，a n dt h ee f f e c to ft h es e l f - s t r e s so nt h el o a dc a r r y i n gc a p a c i t yo fc f s ts t u b c o l u m ni sd r a w n t h ea x i a ll o a d i n gt e s ts p e c i m e n so fs t u bc o l u m nh a v eb e e nn u m e r i c a l l y s i m u l a t e db ya n s y sp r o g r a m e x p a n s i o no fc o n c r e t ei ss i m u l a t e db yh e a t i n gc o n c r e t e i ns t e e lt u b e a n dt h e nt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e l sa r es e tu pf o rc f s ts t u b c o l u m na n ds c f s ts t u bc o l u m n c a l c u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tm e c h a n i c a lp r o p e r t yo f s c f s ti sb e t t e rt h a nc f s t t h er e a s o n sh o w t oi n c r e a s eu l t i m a t eb e a r i n gi n c r e m e n ti s d i s c u s s e d f i n a l l y , a u t h o rc o m p a r e s i n i t i a ls e l f - s t r e s si n f l u e n c e sa n dm i c r o s t r u c t u r e i n f l u e n c e so nt h el o a dc a r r y i n gc a p a c i t yi n c r e m e n to fs c f s t k e y w o r d s ：s e l f - s t r e s s i n g ；c o n c r e t e f i l l e ds t e e lt u b e ( c f s t ) ；d e s i g nt h e o r y ； b e a r i n gc a p a c i t y ；e x p a n s i o nr a t i o ；f i n i t ee l e m e n t 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名：馥礁叮 日期：y 口年斗月jy 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论 文。 学位论文作者签名：氖稂守 指导教师签名：? 专孵， 日期： 年月e t 期：胗年产月 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系 列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规 定享受相关权益。 学位论文作者签名： 蓣彼亨 日期：y i 口年牛月f9e t 男 “ 司“ 月 名争 签 u l略年 j y ， 刻们 鼬 v 扪 期 第一章绪论 11 研究背景 第一章绪论 钢管混凝上作为一种有效的复合材料，以其优越的性能一直受到国内外土木 学术界重视。它除了具有强度商、重量轻、延性蚶、耐疲劳，抗冲击等力学性能 外，还具冉省工省科、架设轻便、旖工快速等优越的施工性能，广泛应用十单层 和多层工业厂房柱、各种史架、桁架压杆、桩、高层与超高层建筑、拱桥及组合 粱桥结构。以桥梁为例，自1 9 9 0 年酋座钢管混凝土拱桥建成以来，已建或在建 钢管混凝拱桥为2 0 0 余庄先后建成了j 。州丫髻沙_ 人桥( 3 6 0 m ，2 0 0 1 ) j 一两南 宁永和大桥( 计算跨径3 4 95 m ) ，重庆巫山长江大桥( 4 6 0 m2 0 0 5 ) 湖南茅草街大桥 ( 3 6 8 m ，2 0 0 6 ) 湖北支井河大桥( 4 3 0 m ，2 0 0 9 ) 等。充分显示了钢管混凝 ：成为 结构工程的一个重要发展方向”。 图f1 广州丫髻沙大桥 f i gi 】y a j i s h ab r i d g ei ng u a n 匣h o u 图12 巫山长江大桥 f i g i2 y a n g t z e r i v e r b a d g e i n w u s b e m 随着钢管混凝士结构的应辟j 及研究的不断深入，钢管混凝十力学性能、施t 技术等方商存在以下问题： 同钢筋混凝土构件相比，虽然钢管混凝土构件的优势在于钢管对核心混凝 土的约束，使构件的强度和延性得到较人的提高”1 ，山于核心混凝土存在塑性收缩、 自收缩、徐变收缩等问题，使其与钢管壁之问出现脱空祁脱枯现象“”。同时混凝 士收缩徐变使铡管产生压应力，混凝上产生拉应力，钢管混凝上的弹性模量和承 载力大幅度f 降”1 。 钢管和混凝土对温度的敏感性也不相同，钢管的膨胀系数大于混凝十膨胀 系数，在外界温度变化时两者可能以膨胀量的不同而产_ 二分离。另外，外部温度 升高使钢管与核心混凝士之问存在温差，钢管膨胀量大于馄凝土势必会增强分离 2 第一章绪论 趋势，进而影响到钢管对混凝土套箍作用的发挥哺9 1 。 外部荷载作用下，混凝土的徐变会使钢管与混凝土之间产生应力松弛现 象，这会使钢管与混凝土之间受力变形协调性变差。 自应力钢管混凝土以膨胀核心混凝土或事先加热钢管两种方式获得自应力， 可有效解决上述脱空和约束不足的问题。试验结果表明：事先加热钢管获得自应 力，钢管混凝土承载力可提高2 0 ，且弹塑性工作区明显变长，塑性性能优越3 。 王湛利用试验手段对钢管约束膨胀混凝土显微结构、力学性能作了研究n 2 j 引， 认为自应力钢管混凝土性能的提高主要是由于核心混凝土结构的改善和初应力的 存在，以前者占主导地位。黄承逵n “1 明等人对自密实自应力钢管混凝土做了大量 试验研究，结果表明：自应力钢管混凝土的含钢率、水泥用量、试件截面尺寸、 水灰比等均会影响结构自应力的大小。大连理工大学n 6 1 刀对自应力免振混凝土做 了系统研究，拟合出限制膨胀率计算公式和自应力钢管混凝土极限承载力计算公 式。但就自应力钢管混凝土而言，还有以下一些工作要做： 核心混凝土的弹性模量、抗压强度及膨胀性能均会直接影响到自应力钢管 混凝土构件的工作性能，这三种性能均随龄期发展，且互相影响。因此，有必要 研究这三种性能随龄期的发展规律。 大量试验证明n 9 、别自应力钢管混凝土轴压承载力较普通钢管混凝土高。现 自应力钢管混凝土构件的设计仍采用钢管混凝土设计规程，这与实际情况不符。 应对现有设计理论进行修正，以达到设计符合技术先进、安全可靠、耐久适用、 经济合理的目的。 自应力不仅受自由膨胀率和钢管混凝土含钢率的影响，同时还受核心混凝 土力学性能的影响n4 1 射。文献 1 8 提出的限制膨胀率计算公式只以含钢率作为参 数，未涉及核心混凝土力学性能的影响。限制膨胀率直接影响到自应力计算结果， 因此有必要将混凝土力学性能的影响引入自应力计算公式中。 现有文献大多是通过试验手段研究自应力钢管混凝土力学性能结果离散 性大，且只能定性分析定量分析较为困难。同时，对自应力钢管混凝土承载力提 高机理还不够清楚，需结合有限元分析手段，进一步研究自应力钢管混凝土力学 性能。 1 2 钢管混凝土 1 2 1 钢管混凝土的特点 钢管混凝土是将混凝土填充入钢管内形成的组合构件。按截面形式不同可分 为圆钢管混凝土、方形钢管混凝土、矩形钢管混凝土和多边形钢管混凝土等。从 第一章绪论 材料学设计理论上来讲，钢管混凝土是一种由金属钢与无机非金属混凝土所组成 的复合材料，是钢一混凝土组合结构中最重要的一种形式。其复合设计原理是： 混凝土受到钢管壁的套箍力，强度韧性可大大提高；钢管中填充了混凝土，可提 高结构的稳定性并减少用钢量。 图1 3 常见钢管混凝土构件截面形式 f i g 1 3c o m m o ns e c t i o no fc f s t 近年来，钢管混凝土在大型基础、高层建筑和大跨度结构工程中得到迅速的 推广应用，并且这一趋势方兴未艾，其中主要原因就是钢管混凝土所具有的优点 得到了发挥。其特点如下位副： 承载力高 由于对局部缺陷很敏感，钢管的承载力取决于薄壁的局部稳定，屈服强度常 不能得到充分利用。试验证明，薄壁钢管的实际承载力往往只有理论值的1 3 1 5 ， 当有残余应力存在的时候影响可能会更大。在钢管中填充混凝土形成钢管混凝土 后，混凝土的存在可以延缓或避免钢管壁过早的发生屈曲现象。钢管约束了混凝 土在轴心受压荷载下，混凝土受到三向应力作用延缓其纵向开裂。两种材料相互 弥补了不足之处，发挥了各自的优点，使钢管混凝土比钢筋混凝土柱的承载力要 - 一 两。 塑性和韧性好 混凝土的致命弱点就是其脆性，属于脆性破坏材料，对于高强混凝土情况更 为严重。在钢管混凝土中，核心混凝土由于受到钢管的约束处于三向受力状态， 这可以有效改变其在使用过程中的弹性性质，也使破坏时产生较大的塑性变形。 钢管的套箍作用提高了混凝土的塑性和韧性，克服了混凝土单独受压时脆性大的 弱点。试验结果表明，钢管混凝土轴心受压短柱破坏时往往可以被压缩到原长的 2 3 ，但仍没有呈现脆性破坏的特点。由于钢管混凝土具有良好的塑性和韧性，因 而其抗震性能好。 施工方便 钢管混凝土柱与钢筋混凝土柱相比，因管内无钢筋、浇灌容易、振捣密实、 没有绑扎钢筋、支模和拆模等工序，施工简便。与预制钢筋混凝土构件相比，不 第一章绪论 需要构件预制场地；与钢结构构件相比，钢管混凝土的构造通常比钢结构构件简 单，焊缝少。易于制作。特别是组成钢管混凝土构件的钢管壁厚一般较小，现场 拼接对焊简便快捷。 对于采用泵送混凝土、高位抛落不振捣混凝土和免振密实混凝土等旌工工艺 更可加速钢管混凝土构件的施工进度。此外，钢管混凝土不论是单管柱还是格构 式柱，和普通钢柱相比柱脚零件少，焊缝短，可以直接插入混凝土基础的预留 杯口中，免去了复杂的柱脚构造。 经济效果好 钢管混凝土作为一种较为台理的结构形式，可以很好地发挥钢材和混凝士两 种材料的特性和济力，使材料得到了至为充分和台理的应用，因此，钢管混凝土 具有良好的经济效果。大量工程实际表明：采用钢管混凝土的承压构件比普通钢 筋混凝上承压构件可节约混凝土5 0 ，减轻结构自重5 0 左右；和钢结掏相比 可节约钢材5 0 左右。 122 钢管混凝土在工程实践中的应用 钢管混凝土在高层和超高层建筑工程中的应用 钢管混凝土结构白8 0 年代末开始被逐渐地应用于高层建筑中，发展十分迅速。 例如，西雅图城建成的5 8 层t w ou n i o ns q u a r e 大厦和p a c i f i cf i r s tc e n 把r 大厦； 澳大利亚墨尔本c a s s e l d e np l a c ep r o j e c t 和悉尼的m a r k e tc i t yp r o j e e l 等均采用了钢 管混凝土构件。 匪l4t w o u n i o ns q u a m 大厦 f i 9 14 t w o u n i o n s q u a r e m a n s i o n 图15p 越i f i cf i m t c e n t e r 大厦 f i g1 5p a c i f i cf i r s tc e n t e rm a n s i o n 我国6 0 年代开始将钢管混凝土应用于厂房柱和地铁 。程叶 ；7 0 年代后，我国 第一章绪论 5 逐步应用于单层和多层工业厂房、高炉构架及各种结构中。近1 0 年来，随着国家 经济的发展，达到百米或超百米的钢管混凝土结构的高层建筑已有3 0 多座( 见表 1 1 ) 。其中位于深圳的7 2 层赛格广场大厦，结构高度近3 0 0 米，堪称世界之最。 表1 1 钢管混凝土材料著名高层建筑 t a b l e1 1c e l e b r a t ec o n c r e t e - f i l l e ds t e e lt u b eh i g h r i s eb u i l d i n g s 序号建筑物名称地点层数高度建成年份 1邮电中心泉州1 66 3 51 9 9 0 2 阜康大厦厦门 2 78 6 51 9 9 4 3 金源大厦厦门 3 09 6 11 9 9 5 4 好世界广场广州 3 61 1 6 31 9 9 5 福建南 5 南安邮电局 3 09 91 9 9 5 安 6今晚报大厦天津4 0 1 3 7 1 9 9 5 7 天信大厦 天津2 81 0 01 9 9 7 8 工商银行大厦天津 3 21 2 01 9 9 7 9 重庆环球广场重庆 3 31 1 0 61 9 9 8 1 0 世界金融中心北京 3 61 2 01 9 9 8 l l 新中国大厦广州 5 62 0 1 81 9 9 9 1 2赛格广场深圳7 6 2 9 1 61 9 9 9 1 3陆海工程上海2 5 8 4 7 1 9 9 9 1 4 瑞丰国际商务大厦杭州 2 88 9 72 0 0 1 1 5 武汉国际证券大厦武汉 7 12 4 9 32 0 0 3 1 7 联通枢纽大厦哈尔斌 3 71 4 4 52 0 0 3 第章绪论 图i6 深圳赛格广场大厦 f i gj6s h e n z h e n s e g m a n s i o n 钢管混凝土结构自大跨度桥梁工程中的应用 随着经济的发展，能够跨越江河、海湾及山谷的轻盈美观大跨度桥梁越来越 被广泛应用。当跨度很大时，拱肋主要承受轴向压力，钢管混凝土结构因其优越 的力学性能成为建造拱肋的理想材料之一。在近l o 年里，我国已建成1 0 0 多座钢 管混凝土拱桥，有3 0 多座跨度超过1 0 0 米。其中，湖北支井河大桥跨越宽5 0 0 米、 深1 0 0 0 米的“v ”型峡谷，跨度达到4 3 0 米，为目前世界同类型桥梁之最。 图17 湖北支井河大桥 f i 9 17 z h i j i n h e b r i d g e i n h u b e i 第一章绪论 7 表1 2 钢管混凝土材料著名拱桥 t a b l e l 2c e l e b r a t ec o n c r e t e f i l l e ds t e e lt u b ea r c hb r i d g e 序号桥名建成年份最大跨径矢跨比 1 四川巫山长江大桥 2 0 0 44 6 01 5 2湖北支井河大桥2 0 0 94 3 0l 5 5 3 广州丫髻沙大桥 2 0 0 03 6 0l 4 5 4 重庆奉节梅溪河桥 2 0 0 12 8 81 5 5武汉市江汉三桥 2 0 0 02 8 01 5 6 广西三岸邕江大桥 1 9 9 82 7 01 1 5 7 浙江三门健跳大桥 2 0 0 52 4 51 ，5 8武汉市江汉五桥 2 0 0 02 4 01 5 9 江苏邳州运河桥 2 0 0 02 4 01 5 9 广西六景郁江大桥 1 9 9 92 0 81 4 9 4 1 0 重庆合川嘉陵江大桥 2 0 0 22 0 01 4 1 2 3 钢管混凝土力学性能研究现状 2 0 世纪初，美国首次给出了圆钢管混凝土柱承载力计算公式，并在许多单层、 多层厂房中得到应用髓朝。日本在1 9 2 3 年关西大地震后，发现钢管混凝土结构在地 震中破坏并不明显，表现出优越的抗震性能，随后钢管混凝土结构逐渐发展起来。 k l o p p e l 和g o d e r 于2 0 世纪5 0 年代报道了钢管混凝土的研究，但较为深入的 研究始于2 0 世纪6 0 7 0 年代。1 9 6 7 年f u r l o n g 报道了钢管混凝土柱强度试验结果， 验算了钢管混凝土压弯构件极限承载力，g a r d n e r 和j a c o b s o n 报道了圆钢管混凝土 柱的力学性能；1 9 6 9 年k n o w l e s 和p a r k 根据对钢管混凝土轴心和偏心受压柱的试 验研究，提出利用切线模量来计算柱心受压长柱稳定承载力的方法，n e o g i 报道了 偏心荷载作用下的钢管混凝土力学性能；1 9 7 0 年k n o w l e s 和p a r k 又报道了钢管混 凝土的轴向荷载设计；1 9 7 3 年b o d e 报道了钢管混凝土柱的设计与应用；1 9 7 5 年 v i r d i 和d o w l i n g 报道了钢管混凝土的粘结强度；1 9 8 5 年s a k i n ok 等对圆钢管混凝 土轴心受压构件进行了三种不同方式的加载试验；1 9 9 3 年c r a u e r s 对方钢管高强混 凝土进行了试验研究，其核心混凝土强度最高达到了1 0 3 m p a ；1 9 9 6 年n a j j a r 和 8 第一章绪论 g o u r l e y 采用纤维模型法对方、矩形钢管混凝土在压弯荷载作用下极限承载力进行 了研究：2 0 0 1 年左右s u s a n t h a 和s h a n m u g a m 等人分别采用计算软件a b a q u s 和 有效截面法对方钢管混凝土和矩形钢管混凝土极限承载力相关影响因素进行了研 究呦3 。 我国从1 9 5 9 年开始研究钢管混凝土的基本性能。国内苏州混凝土与水泥制品 研究院、原哈尔滨建筑工程学院、冶金建筑科学研究总院、国家电力研究所及中 国建筑科学研究院等单位先后对钢管混凝土组合结构开展了比较系统的研究工 作。1 9 8 2 年汤关祚运用试验手段研究了构件截面含钢率、混凝土强度和长细比对 钢管混凝土轴压和偏压承载力的影响，提出轴压和偏压承载力的计算方法胁3 ；1 9 8 4 年蔡绍怀和焦占栓提出了“套箍系数 的概念，运用极限平衡法提出了强度承载 力简化计算公式，与试验结果吻合较好；1 9 9 4 年钟善桐与韩林海采用有限元法对 圆钢管混凝土构件在压、弯、扭和复合受理状态下荷载一变形关系进行分析，并 提出了钢管混凝土统一理论啦副。 1 2 4 钢管混凝土设计理论研究现状 前苏联从1 9 3 1 年开始先后进行了大量有关钢管混凝土柱的试验工作，出版了 一些相关专著。并在2 0 世纪3 0 年代末期将钢管混凝土结构应用于桥梁建筑，包 括跨越列宁格勒涅瓦河的跨径为1 0 1 m 钢管混凝土拱梁组合体系桥、罗斯洛夫斯基 设计的跨径1 0 2 m 双管拱肋式拱桥，以及位于西伯利亚跨径达1 4 0 m 的钢管混凝土 桁架拱桥。从2 0 世纪至今，各国对钢管混凝土这种结构形式展开了研究，并在工 业厂房、空间结构和拱桥结构中大量应用，肯定了钢管混凝土这种结构形式在实 际工程中应用的可行性，建立各自的规程。 影响钢管混凝土柱承载力的因素，主要有以下几个方面：一是设计钢材的屈服 强度、含钢率( 钢材的用量) 以及混凝土的抗压强度；二是结构长细比因素；三 是荷载作用方式。国内外各个规程都有自己的理论体系，因研究者们对于钢管与 核心混凝土之间互相作用的认识各有不相同，采用的方法也不尽一致，因而得出 规程的计算方法和计算结果就会有所差异。 对于钢管混凝土构件承载力计算，除了日本采用容许应力法之外，世界各国 大都采用极限状态设计法；对于构件刚度的计算，全都采用换算刚度法，但在刚度 取值方面也有区别，如英国b s5 4 0 0 采用全刚度方式，大多数国家对混凝土抗弯 刚度予以o 8 折减，以考虑混凝土受弯开裂引起的刚度减小；对于设计公式，无论 强度和刚度，大都采用叠加法。西欧国家，如德国、英国和法国等，主要针对圆 钢管混凝土，内填充素混凝土为研究方向，所形成的主要规程有e u r oc o d e4 ( 1 9 9 4 ) 第一章绪论 9 和b s5 4 0 0 ( 1 9 9 7 ) ；美国钢结构协会对轴压构件考虑了构件的整体稳定，将混凝 土的强度折算到钢材中，设计规程为a c l 3 1 8 9 9 ( 1 9 9 9 ) ；加拿大研究方向以方钢 管混凝土和圆钢管混凝土为主，核心混凝土为素混凝土，设计规程采用a i s c l r f d ( 1 9 9 9 ) 。但美国和加拿大两个规范均不适用于高强混凝土的情况。日本1 9 2 3 年 关西大地震后大量采用了钢管混凝土结构形式，对其进行研究，主要研究方向是 方钢管混凝土、圆钢管混凝土和矩形钢管混凝土结构，核心混凝土为素混凝土或 配筋混凝土，形成了钢管混凝土房屋建筑方面的设计规程a i j ( 1 9 9 7 ) n 羽。 国内在上世纪先后颁布了一些有关钢管混凝土结构设计方面的规程，如中国 工程建设标准化协会编制的钢管混凝土设计与施工规程( c e s d2 8 ：9 0 ) 、国家 建材工业局编制的钢管混凝土设计与施工规程( j c j0 1 - - 8 9 ) 、电力行业编制的 钢一混凝土组合结构设计规程( d l t 5 0 8 5 1 9 9 9 ) 、能源部电力规划管理局颁 布的火力发电厂厂房钢一混凝土组合结构设计暂行规定( d l g j 9 9 - - 9 1 ) 、中 华人民共和国军用标准( g j b4 1 4 2 - - 2 0 0 0 ) 、福建省工程建设标准钢管混凝土 结构技术规程( d b j1 3 5 1 - - 2 0 0 3 ) 、天津市工程建设标准天津市钢结构住宅设 计规程( d b2 9 5 7 - - 2 0 0 3 ) 。其中国内主要采用( c e c s2 8 ：9 0 ) 、( j c j0 1 - - 8 9 ) 、 ( d 坍5 0 8 5 1 9 9 9 ) 三个规程，这三个规程依据各自的理论体系，以大量试验为 基础，建立起一套经验公式或半理论半经验公式。规程( c e c s2 8 ：9 0 ) 和( j c j0 1 - - 8 9 ) 计算公式较为简便；规程( d 5 0 8 5 1 9 9 9 ) 给出了钢管混凝土在压、弯、 扭、剪力共同作用下承载力的计算公式，但计算公式相对较为复杂。 1 3 自应力钢管混凝土 1 3 1 自应力混凝土概述 膨胀混凝土由法国的h l o s s i e r 于1 9 3 6 年发明并获得专利，经过3 0 多年的起 起落落，直到上世纪6 0 年代才有了较大的发展。1 9 5 5 年左右前苏联研究者创造了 硅酸盐自应力水泥，并开始应用于地下工程、机场、公路、大跨度薄壳等结构； 美国的a k l e i n 研制了硫铝酸盐膨胀水泥并在工程中得到大量的工程应用；日本 也在上世纪6 0 - 7 0 年代发展膨胀水泥。中国最早是中国建材研究院于1 9 5 7 年研制 成功硅酸盐自应力水泥，其后一直停滞，直到改革开放才取得较快的发展。 膨胀混凝土具有体积膨胀性，有膨胀就必定有外部约束作用。在不同形式的 约束下膨胀混凝土就会呈现不同宏观性能，内部结构就会不同程度的发生变化。 混凝土膨胀时会对其约束体施加拉应力，根据作用力与反作用力的原理，约束体 对其产生相应的压应力，由于此压应力是利用混凝土自身的化学能( 膨胀能) 张 拉钢筋或其他约束体产生的，有别于外部施加的机械预应力，所以称之为自应力 1 0 第一章绪论 啪1 。按自应力大小不同可将膨胀混凝土划分为补偿收缩混凝土和自应力混凝土两 大类。 补偿收缩混凝土的自应力较小，主要用于补偿混凝土收缩和填充灌注，自应 力一般为o 2 1m p a ，这时由于自应力很小，所以在结构设计中一般不考虑自应力 的影响。自应力混凝土的自应力较大，在结构设计中需要考虑自应力的影响。目 前，自应力混凝土的适用范围较狭窄，在结构中作为部分预应力或发挥减少收缩 的辅助作用。自应力混凝土的膨胀能大，在约束条件下能产生自应力，提高混凝 土的抗裂能力，因此作为自应力混凝土压力管中的材料，代替金属管材应用于市 政输水、工业用排灰排气管、输气管线工程、农业用输水管中。经过长期的应用， 积累了丰富的实践经验，形成了一套成熟的自应力混凝土管设计、制造、施工体 系。 中国建筑材料科学研究院是我国膨胀混凝土的发源地，从1 9 6 5 年起，开展了 硅酸盐自应力水泥( m 型) 的研究，混凝土自应力值为2 3 m p a 。1 9 7 4 起，该院 陆续研制成功自应力铝酸盐水泥( a s c ) 和自应力硫铝酸盐水泥( s a e c ) ，混凝土自应 力值为4 8 m p a 。1 9 8 0 年又研制成功出明矾石自应力水泥( a e c ) ，成果均用于工业 生产中。吴中伟院士曾预言，如果把膨胀、自应力混凝土开发的好，预制产量可 达到普通混凝土的1 0 。但目前国内，膨胀混凝土的总用量只占全部混凝土用量 的不到0 5 ，这是由于自应力混凝土产生的自应力低于机械预应力，如何提高自 应力值及扩大自应力混凝土的应用范围是制约自应力混凝土发展的重要问题。 刘江宁研究了不同限制条件下膨胀混凝土的变形及力学性能，对于单向限制 膨胀混凝土得出如下结论：膨胀混凝土的限制膨胀率与时间的关系可划分为四个 阶段：塑性膨胀阶段，加速膨胀阶段，膨胀平衡阶段和徐变控制阶段；膨胀混凝 土的自应力水平，膨胀能和限制条件三者之间互相联系和制约。对于三向限制膨 胀试验得出如下结论：三向限制膨胀混凝土的纵向膨胀率和自应力受到纵向和侧 向约束的影响；三向限制条件下膨胀混凝土的强度大幅度提高，分别比自由膨胀 和单项限制膨胀混凝土提高2 2 倍和1 7 倍乜 。 黄承逵等人2 0 0 1 年利用有限元分析法研究了配筋自应力混凝土膨胀特性，人 为自应力混凝土的有效自由膨胀值可用有效膨胀系数表示；自应力计算有限元模 型，考虑了膨胀和徐变时间过程，可适应各种边界条件和配筋形式，能够给出结 构不同部位混凝土自应力发展过程，是对一般自应力混凝土结构进行力学分析的 有效方法啪1 。2 0 0 4 年黄承逵等又对钢纤维自应力混凝土的膨胀特性进行试验研究， 结果表明：自应力混凝土的限制膨胀变形随配筋率的提高而降低，但到一定配筋 率后，其降低的幅度趋于平缓，呈现指数的发展规律啪1 。 第一章绪论 1 3 2 自应力钢管混凝土特点 实现钢管混凝土自应力方法主要有两种形式：使核心混凝土膨胀，或使钢管 收缩( 这些变化是由结构的部件自身产生，故称为自应力) 。钢管收缩方式原理为： 利用事先热膨胀的钢管，填满混凝土后，使钢管降温，利用钢管回缩对混凝土产 生一个较大的侧压力，这种侧压力是一种相对永久的压力。对比于混凝土膨胀方 式，工艺过于复杂。混凝土膨胀方式原理为：将膨胀剂添入普通混凝土中，利用 膨胀能和钢管的套箍作用产生自应力。本文主要讨论由膨胀混凝土产生自应力的 方式。混凝土膨胀方式不但能够解决高强混凝土在性能上存在的诸多问题，而且 还能改善钢管混凝土的工作性能。其主要特点如下： 解决钢与混凝土材料结合问题 对于普通钢管混凝土而言，混凝土硬化后存在一定程度的体积固有收缩，影 响了混凝土和钢管的互相结合，混凝土和钢管之间出现脱空；受荷载初期，由于 核心混凝土的横向变形系数较小约在0 1 6 , - 9 2 5 之间，而钢材的横向变形系数约在 0 2 8 3 左右，所以在同样的纵向压应变下钢管的横向应变要大于核心混凝土的横向 应变，因此在受荷载初期钢管的径向及环向应变呈负值，人们习惯称之为“负紧 箍力。自应力钢管混凝土利用核心混凝土膨胀能，在加载前就使钢管与核心混凝 土之间产生紧箍力，这种特性可以解决钢管混凝土脱空问题，弥补钢管混凝土紧 箍力出现太迟的缺陷，改善组合材料的工作性能。 改善核心混凝土性能 三向限制能够充分利用膨胀能，这不仅能使自应力得到大幅度提高，还可以 改善混凝土各项性能。凝结硬化期间核心混凝土处于三向受压状态，密实度及力 学性能大为改善；钢管中核心混凝土浇筑后基本处于密封状态，这有利于混凝土 水化作用，因此混凝土的徐变也将小于普通混凝土；因钢管的约束限制作用和阻 隔作用，切断了核心混凝土与外界的水分交换，这样不但避免表面泌水造成的裂 纹，消除了由于养护不及时而造成施工问题，而且也不必担心核心混凝土后期膨 胀造成的体积破坏。 改善钢管混凝土力学性能 钢管混凝土轴心受压时产生套箍力，是钢管混凝土具有优越性能的原因。但 普通钢管混凝土结构，在混凝土横向变形系数随荷载的增加到一定程度时才会出 现套箍力。自应力钢管混凝土在加载初期，由于膨胀能和钢管限制约束的互相作 用套箍力已经存在。钢管对核心混凝土的套箍力控制了加载初期核心混凝土微裂 缝的产生和发展，增长了钢管混凝土弹塑性工作区，使其轴压极限承载力较普通 钢管混凝土高。 1 2 第一章绪论 1 3 3 自应力钢管混凝土研究现状 王湛等通过试验手段，研究了核心混凝土、自应力钢管混凝土轴心受压构件 的屈曲荷载，试验表明：钢管膨胀混凝土性能的改善主要是由于核心内部结构的 改变，初应力也起一部分作用；自应力钢管混凝土的弹性模量较普通钢管混凝土 高，在弹性阶段可高达2 0 以上。 武汉理工大学的胡曙光和丁庆生等针对钢管高强膨胀混凝土的特性，围绕钢 管混凝土工程应用中普便存在的脱空和大跨度结构工程中的施工难题做了系统的 研究，主要结论如下： 由于自应力钢管混凝土在钢管环向限制较纵向限制容易保证，钢管的环向 应变大于纵向应变。 钢管的应变随着膨胀剂的增大而增大，钢管要限制膨胀能的释放，所以引 起的钢管变形就越大。 钢管外壁的应变在7 d 内线性增大，1 5 d 左右基本趋于平稳。 钢管中部的应变大于钢管端部的应变。 掺入膨胀剂为1 0 0 o , - , 1 2 的钢管混凝土的极限破坏荷载可提高8 左右，采 用铝酸盐早强膨胀混凝土较普通钢管混凝土极限破坏荷载可提高7 6 一8 。可见， 采用硫酸盐早强膨胀混凝土比掺加膨胀剂配置的钢管混凝土对短柱轴压承载力的 提高效果较好啪，。 苏州水泥制品研究院的招炳泉等配置了具有两种不同膨胀率的自应力钢管混 凝土以及作为对比的普通钢管混凝土试件，测定了在三向受限条件下的核心混凝 土抗压强度。在此基础上，利用测到的有效自应力结合普通钢管混凝土理论，提 出了轴心受压短柱抗压强度提高系数k 和承载力肌。 李帼昌对自应力钢管轻骨料混凝土做了系统的研究，结果表明：自应力钢管 轻骨料核心混凝土的最大平均压应力随含钢率的提高而加大；自应力钢管轻骨料 混凝土轴压短柱破坏以核心混凝土的破坏而告终m 1 。 大连理工大学尚作庆等人结合自应力混凝土和自密实混凝土各自的特点设计 出了适合浇筑的自密实自应力混凝土，得出以下结论：自密实自应力混凝土在钢 管内能保持良好的密实性，并能使结构产生较大的自应力；自应力钢管混凝土的 含钢率、水泥用量、构件截面尺寸及长细比均能影响自应力的大小口刳。 第一章绪论 1 4 课题来源及主要研究内容 1 4 1 课题来源 钢管混凝土工作的实质在于钢管及核心混凝土的相互作用和协同互补，这种 组合作用使钢管混凝土具有一系列优越的力学性能1 。但核心混凝土的体积固有 收缩使钢与混凝土之间脱粘产生脱空，使钢管混凝土的弹性模量和承载力下降， 纵向及侧向变形加剧，对工程造成潜在的安全隐患。随着工程结构日益朝着高层、 大跨度发展，混凝土的体积固有收缩明显增大这一问题更加突出。据调查，国内 绝大多数钢管混凝土拱桥不同程度地存在脱空，尤其是早期建造的钢管混凝土拱 桥，脱空现象更为严重。建成于1 9 9 4 年的广东佛陈大桥，1 9 9 9 年超声波检测与钻 孔发现，钢管拱肋内混凝土与钢管脱空程度非常严重，面积超过2 0 c m 见方、缝隙 大小在0 5 m m 以上的脱空区域，全桥共有2 8 8 处，尤其严重的是两个拱肋的拱项 区段，混凝土与钢管脱空间距达3 0 m m - , 一l o o m m 之多；四川某高速公路k 2 0 + 5 5 4 7 - k 2 0 + 6 9 8 3 互通跨线钢管拱桥，通过超声波检测发现，该桥a 、b 两拱肋钢 管内混凝土的密实程度及均匀性很差，混凝土与钢管内壁接触不良造成钢管顶部 严重脱空。经开孔取芯发现最大脱空达7 0 m m ，最终判定a 、b 两钢管混凝土拱不 合格。2 0 0 5 年建成的巫山长江大桥，采用复合膨胀剂b e a ，引入“释水因子 ，但 当混凝土达到4 5 d 强度及膨胀期限后，对拱桥的八根主弦钢管进行了分段全面超 声波检测，重点检测了容易出现缺陷的拱脚、拱顶及各灌浆口附近。检测中每个 测试区布置测点2 0 个，从管下端向上，间距0 2 m ，检测表明存在缺陷的测点1 4 个，占总数的7 0 。测试点脱空状态的下限平均值为o 1 6 m m ，上限平均值为 0 5 5 m m 。测试区内共钻孔抽样2 个点，实测脱空分别为0 6 m m 和0 8 8 m m 。 针对国内钢管混凝土拱桥存在钢管与混凝土脱空的普遍问题，有必要开展专 门的研究，为此，交通部专门设立了“自预应力钢管混凝土开发应用试验研究 课题( 合同编号：2 0 0 6 3 1 8 8 1 4 2 2 ) 通过开展高性能膨胀混凝土在钢管混凝土拱桥 中的应用研究，解决钢管与管内混凝土的脱空问题，完善钢管混凝土拱桥的设计 和施工技术，为今后钢管混凝土拱桥设计与施工技术规范的编制或修订提供可靠 的理论与试验依据。本文是该研究项目中的一个子课题“自应力钢管混凝土设计 理论研究 。 1 4 2 本文研究主要内容 在课题组试验数据的基础上做进一步分析m 确1 ，研究钢管限制条件下，自 应力混凝土弹性模量、抗压强度等力学性能，并对不同配合比自应力混凝土自由 1 4 第一章绪论 膨胀同龄期关系做深入分析。 对国内外主要几种钢管混凝土设计规程进行对比分析，结合在现有钢管混 凝土设计承载力计算方法，提出适应自应力钢管混凝土的设计承载力计算公式。 针对自应力钢管混凝土，将强度提高参数引入混凝土本构关系中，研究钢 管限制条件下自应力混凝土本构关系模型。 利用a n s y s 有限元计算程序，模拟白应力钢管混凝土短柱轴心受压过程， 分析了自应力等各个参数对自应力钢管混凝土轴压短柱力学性能的影响，并研究 自应力钢管混凝土轴压极限承载力提高的内在原因。 1 5第二章自应力混凝土膨胀性能研究 2 1 引言 第二章自应力混凝土膨胀性能研究 自应力混凝土不同于补偿收缩混凝土，其产生的膨胀能较大，除了能补偿混 凝土的固有收缩，在限制情况下还可以使结构产生较高的自应力。自应力的大小 取决于两方面原因：一方面为混凝土膨胀能的大小；另一方面为外部限制条件的 差别。自应力钢管混凝土较配筋自应力混凝土结构形式，不仅对核心混凝土产生 有效的约束( 限制) ，且核心混凝土处于三向受压状态，使其具有更好的力学性能。 随着自应力混凝土广泛的应用于各种结构形式中，对其力学性能，膨胀发展规律 的研究尤为紧迫。 文献 2 9 和 3 6 主要研究了配筋率对自应力混凝土限制膨胀的影响，并提出 了自应力计算公式。提出的计算公式是基于配筋自应力混凝土，并未对钢管限制 条件下自应力混凝土进行研究。文献口卜3 町研究了钢管限制条件下自应力混凝