圆端形钢管混凝土塔柱受力特征实测分析★

李　彬　李　艳

(1．长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北武汉　430010;2．武汉交通职业学院，湖北武汉　430065)



圆端形钢管混凝土塔柱受力特征实测分析★

李彬1李艳2

(1．长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北武汉430010;2．武汉交通职业学院，湖北武汉430065)

摘要:介绍了某大型结构的圆端形钢管混凝土塔柱的实时应力监测方案，通过对监测数据的分析，初步了解了圆端形钢管混凝土组合结构在整个施工过程中的受力状态和受力特征，为今后形成圆端形钢管混凝土结构的设计提供了基础性数据依据。

关键词:圆端形钢管混凝土，应力监测，受力特征

0　引言

20世纪80年代后期，随着先进泵送混凝土工艺的发展，钢管混凝土结构凭其诸多优异性能在美国和澳大利亚等国悄然兴起。钢管混凝土结构技术在我国开发利用已长达40多年之久，据统计，我国采用钢管混凝土技术的工程案例已达100多个［1-7］。比较常见的钢管混凝土截面有圆形、方形和多边形，圆端形钢管混凝土截面的工程应用目前非常少见，国内外都缺乏有关这一新型结构形式的相关设计依据。某大型桥梁结构的塔柱采用圆端形钢管混凝土结构形式，通过在塔柱截面的关键部位预埋传感器监测塔柱在各个施工阶段的实时应力。本文对塔柱在整个施工阶段的实时应力监测数据进行了应力变化趋势分析，初步了解了圆端形钢管混凝土这种新型结构在施工阶段的受力特征。

1　圆端形钢管混凝土塔柱应力监测方案

某大型结构的双肢塔柱由两根纵向相连的圆端形钢管混凝土柱组成，两个圆端形钢管中间的连接杆尺寸为80 cm×60 cm× 50 cm，按1．50 m间距沿塔柱竖向布置，钢管厚为2 cm，钢管内采用C50自密实微膨胀混凝土充实，圆端形塔柱横截面形状如图1所示。

图1　钢管混凝土塔柱横截面图

在应力监测试验中常用的元器件有振弦式应变计、差动式应变计和电阻应变计。圆端形钢管混凝土塔柱的核心混凝土中采用结构简单、精度较高的振弦式应变计，这种应变计抗干扰能力强，测量效果理想。

1．1测点布置

圆端形钢管混凝土塔柱具有双轴对称的横截面形式，应力传感器采取对称布置的原则，重点监测直线段、圆弧最外段和二者结合处的应力变化规律。核心混凝土内部共布置36个振弦式应变计，其中，底部截面(标高+27．405)布置10个竖向应力应变计(BV0n，BV0ni)，重点监测塔柱底部混凝土中的竖向应力;中部截面的钢管对混凝土具有较强的套箍作用，在中部截面(标高+34．905)布置12个竖向应力应变计(MV0n，MV0ni)，4个纵向应力应变计(ML0n，ML0ni)，10个横向应力应变计(MT0n，MT0ni)，具体位置如图1所示。

1．2测试工况

钢管混凝土主塔柱上部为斜拉索锚固区，施工时分为8个节段进行分段施工，除第一节段高300 cm外，其余节段高度均为450 cm，此时钢管混凝土塔柱为轴心受压工况。斜拉索锚固区施工完毕后分6次沿主塔两侧对称张拉挂索，此时钢管混凝土塔柱承受不对称的斜拉索拉力，为偏心受压工况。测试工况见表1，1～8为轴心受压工况，9～14为偏心受压工况。

表1　测试工况

1．3应变补偿

应力监测值除包含荷载作用下的弹性应变外，还受温度、混凝土收缩、徐变等因素影响，通过埋设无应力计，补偿混凝土自由温度应变、自身的体积应变和收缩应变的影响。选用性能优良的热敏电阻作为测温元件，测温点设定在塔柱的应力监测截面上。

2　实时应力分析

2．1混凝土竖向应力

圆端形钢管混凝土双肢塔柱各测点14个施工工况的竖向应力监测数据变化曲线(工况—应力)如图2和图3所示，个别测点没有存活。

图2　底部截面核心混凝土竖向应力变化曲线

图3　中部截面核心混凝土竖向应力变化曲线

2．1．1轴压工况

在轴压工况下，核心混凝土竖向压应力呈线性增加的趋势，第8工况轴向压力达到最大。而第6～第8工况大部分测点的应力增长速度小于1～5工况，分析其主要原因是在受力初期钢管内部的混凝土处于自由应变状态，随着外部荷载增大，钢管的套箍效应开始发挥，使内部混凝土逐渐处于三向受压应力状态。由图2可见，各测点的竖向应力差别较小，直线段中点(02，02i，03，03i)的竖向应力相对最大，其次是圆弧段和直线段连接处(01，01i，04，04i)，圆弧段最外端(05，05i)的竖向应力相对最小。

2．1．2偏压工况

偏压工况时，斜拉索索力沿i侧的分力小于另一侧，因此i侧的竖向应力明显小。圆弧段外端(BV05)的竖向压应力增大的速度最快，第14工况时达到20．2 MPa。但实时监测的最大应力值远小于C50核心混凝土的抗压强度(混凝土在3 d抗压强度不小于40 MPa，28 d抗压强度不小于60 MPa)。可见，钢管混凝土塔柱施工完成时，核心混凝土仍处于弹性受力状态。

2．2混凝土顺桥向和横桥向应力

图4　中部截面核心混凝土横桥向和顺桥向应力变化曲线

圆端形钢管混凝土双肢塔柱应力监测数据变化曲线(工况—应力)如图4所示，压应力值呈缓慢增大的趋势，且偏压工况下压应力值增大速度加快，表明随着竖向应力增大，核心混凝土逐渐表现出三向受压状态，钢管对混凝土具有套箍效应。但在整个施工阶段实时监测的压应力值都很小，可见，成桥时钢管对核心混凝土的套箍效应还不明显，核心混凝土的压应力安全储备高。

3　结语

实时应力监测结果表明，在整个施工阶段，钢管混凝土塔柱承受的自重及施工相关荷载相对其设计极限荷载而言仍较小，该大型桥梁结构的圆端形钢管混凝土塔柱钢管与混凝土的相互作用在施工阶段不明显，钢管对混凝土的套箍效应还没有充分发挥。本文对圆端形塔柱受力特征的研究局限于施工阶段，进一步的研究工作有待于持续监测结构在正常使用过程中的实时应力，后续研究对圆端形钢管混凝土结构的设计和施工都具有重要的指导意义。

参考文献:

［1］钟善桐．钢管混凝土结构［M］．第3版．哈尔滨:黑龙江科学技术出版社，2003．

［2］钟善桐．高层钢管混凝土结构［M］．哈尔滨:黑龙江科学技术出版社，1999．

［3］韩林海，杨有福．现代钢管混凝土结构技术［M］．北京:中国建筑工业出版社，2004．

［4］韩林海．钢管混凝土结构［M］．北京:科学出版社，2004．

［5］蔡绍怀．现代钢管混凝土结构(修订版)［M］．北京:人民交通出版社，2007．

［6］蔡绍怀．我国钢管混凝土结构技术的最新进展［J］．土木工程学报，1999，32(4):16-24．

［7］蔡绍怀．钢管混凝土结构的计算与应用［M］．北京:中国建筑工业出版社，1989．

A measured study of mechanical characteristics of round-ended Concrete Filled Steel Tube tower columns★

Li Bin1Li Yan2
(1．Changjiang Institute of Survey，Planning，Design and Research Co．，Ltd，Wuhan 430010，China; 2．Wuhan Technical College of Communications，Wuhan 430065，China)

Abstract:The paper introduced the real-time stresses monitoring scheme of round-ended Concrete Filled Steel Tube(CFST)tower columns of a large-scale structure．The real-time stress monitoring data was analyzed so as to find force state and force characteristics of this new structure of round-ended CFST during the construction phase．This study provided basic information for further formation of round-ended CFST design theory in future．

Key words:round-ended Concrete Filled Steel Tube，stress monitoring，force characteristics

作者简介:李彬(1981-)，男，工程师;李艳(1983-)，女，讲师

收稿日期:2015-10-27★:湖北省教育厅科学技术研究项目(项目编号:B2014205)

文章编号:1009-6825(2016)01-0040-02

中图分类号:TU311

文献标识码:A