西北大溫差地區鋼管混凝土構件溫度場及脫粘分析

祁 強, 張思遠

(1.平涼職業技術學院建筑工程系, 甘肅 平涼 744000; 2.廣州科技職業技術大學, 廣州 510550)

近年來,鋼管混凝土結構應用廣泛,服役地域緯度遼闊,其建筑結構中以鋼管混凝土系桿拱橋最為常見,大跨度鋼管混凝土拱橋往往跨越高山峽谷、江河湖泊,以其造型美觀、場地適應性好和優越的經濟性等優點,在跨度橋梁設計中逐漸成為一種具有競爭力的橋型設計方案。該橋型用途性質所處地區年溫、日溫變化均較大,在某些特殊地區,氣溫年變化幅度在40 ℃以上,氣溫日變幅在40 ℃以上。在實際工程應用中,由于環境溫度沖擊循環等多重因素作用,鋼管混凝土界面存在脫粘現象,這將直接影響鋼管混凝土的工作性能和結構安全。

系桿拱橋外部是靜定結構,內部是超靜定結構[1],溫度的變化使超靜定拱橋產生附加內力和附加應力[2],并使拱肋鋼管與核心混凝土發生脫粘,降低鋼管混凝土受力性能[3]。因此研究溫度作用下拱肋截面溫度場變化規律和拱肋與核心混凝土脫粘狀況是一個重要的課題[4]。在鋼管混凝土構件溫度場研究方面,劉曉等[5]研究了高強鋼管混凝土的耐火極限;林春姣等[6]、王江龍和李揚[7]應用有限元對啞鈴型截面拱肋進行了水化作用下鋼管混凝土構件溫度場計算;周里鳴等[8]進行了大型鋼管混凝土組合拱肋溫度場及效應分析;林春姣等[9]將直徑為φ325 mm的拱肋模型置于室外,進行了拱肋截面溫度場觀測試驗;Liu等[10]進行了冷流作用下鋼管混凝土構件截面溫度場分布規律分析;劉世忠等[11]研究了部分填充混凝土矩形鋼管組合桁梁橋沖擊系數;佘宇豪等[12]研究了內置GFRP(玻璃纖維增強塑料)管鋼管混凝土柱延性非線性分析;陳寶春和劉振宇[13]進行了鋼管混凝土脫粘溫度場分析,結合試驗數據,探尋服役環境下鋼管混凝土界面結合狀態,揭示鋼管混凝土界面脫粘機理,形成鋼管混凝土界面性能優化理論和方法。

目前國內對西北晝夜大溫差作用下鋼管混凝土構件截面溫度場分布規律及鋼管與核心混凝土脫粘狀況研究較少。為此,本文對西北地區晝夜大溫差條件下鋼管混凝土構件截面溫度場及鋼管與核心混凝土脫粘情況進行實測試驗,通過定制加熱裝置、設計試驗方法實現溫度沖擊循環試驗。對測試結構進行分析,以掌握在西北地區晝夜大溫差條件下截面溫度場分布規律和鋼管混凝土界面黏結狀態。以期為鋼管混凝土界面優化以及確保惡劣環境下鋼管混凝土長期工作性能提供一定的理論和試驗參考。

1 試驗介紹

構件采用長度為1 000 mm,直徑為630 mm,壁厚為11 mm的鋼管,內填C50的混凝土。鋼管混凝土構件中總共布置22個溫度測點,構件內部布置18個,為防止傳感器過密影響混凝土澆筑,內部傳感器分兩層交錯布置,第1層在距構件底部600 mm處,第2層在距底部400 mm處,平均距構件底部為500 mm。在構件鋼管外壁距地面500 mm處沿圓周均勻布置4個溫度測試儀,測試鋼管壁溫度變化,從圓心到鋼管外表面為一個系列,總共有8個系列,每個系列上布置3個測點(圓心處為公用測點)。鋼管混凝土物件內部測點布置如圖1所示。取同樣尺寸的素混凝土作為對照試驗,素混凝土總共布置9個溫度測點,分為4個系列。素混凝土物件測點布置如圖2所示。

1～18為測點編號

1～9為測點編號

構件內部采用T形熱電偶溫度探頭測量溫度,其被固定在鋼筋網架上,待鋼管內混凝土澆筑到距下端400 mm時將第2層網架放入,再澆筑到600 mm時將第1層網架放入,然后澆筑完剩余混凝土,鋼管壁上采用溫度應變計。待混凝土齡期為28 d時,經檢查鋼管與核心混凝土緊密貼合情況下將其置于大氣模擬箱中,采用溫度巡檢儀1次/6 min采集數據。大氣溫度模擬箱中的測試構件如圖3所示。

圖3 大氣溫度模擬箱中的測試構件

選取西北兩個地區(青海省西寧市、新疆烏魯木齊市)日平均氣溫分為12個時間段(12 h)在大氣模擬箱中模擬測試,分析典型測點溫度隨時間的變化規律,統計兩地2022年和2023年7月份兩年的平均氣溫。兩個地區代表性平均溫度變化見表1。

表1 大氣溫度變化

2 構件截面溫度場分析

圖4為西寧市素混凝土與鋼管混凝土構件截面溫度變化曲線。

由圖4(a)可知,大氣溫度在第1～5 h上升時,混凝土外表面溫度開始上升,混凝土1/2半徑處溫度和混凝土中心溫度也開始升高,但混前兩者溫度升高速度比混凝土中心要快。在第5 h時,大氣溫度達到峰值16.5 ℃。此時,素混凝土外表面(2、4、6、8測點處)溫度為4.475 ℃,是大氣溫度的0.27倍;素混凝土構件1/2半徑所處圓周(1、3、5、7測點處)溫度為1.275 ℃,是大氣溫度的0.08倍;中心處(9測點處)溫度為0.6 ℃,是大氣溫度的0.036倍。從第5 h開始,大氣溫度開始下降,混凝土外邊緣溫度還在上升,但在第6 h后開始下降,混凝土1/2半徑所處圓周溫度和混凝土中心溫度仍然在上升。素混凝土中心處溫度在試驗所選時間段最后第12 h時達到峰值4 ℃,是此時大氣溫度0.24倍。

從圖4(a)曲線整體走勢可看出,試驗時間段內,素混凝土中心處溫度均為單調上升走向。大氣溫度上升時間段,曲線變化逐步加快;大氣溫度下降時間段,曲線變化逐步趨于平緩。曲線中素混凝土中心處溫度曲線更為平緩?；炷辽禍叵啾却髿鉁囟染哂袦笮?且同一個系列從外到里滯后性逐漸加強。

由圖4(b)可知,大氣溫度在第1～5 h上升,在第5 h大氣溫度達到峰值16.5 ℃。此時,鋼管壁溫度為11.1 ℃,是大氣溫度的0.67倍;核心混凝土表面溫度為4.24 ℃,是大氣溫度的0.26倍;核心混凝土中心處溫度為0.5 ℃,是大氣溫度的0.03倍,其中鋼管壁導熱系數最大,溫度與大氣溫度最為接近。鋼管外壁和核心混凝土外邊緣溫度同大氣溫度趨勢相同,先逐漸上升再下降,因鋼管外壁導熱系數大于混凝土,其上升趨勢快于后者。核心混凝土1/2半徑圓周處溫度和核心混凝土中心溫度也開始逐步升高,因傳熱路徑較長,同一個系列上由外到內溫度升高依次滯后。從第5 h開始,大氣溫度開始下降,由于溫度變化的滯后性,內部溫度仍低于外部。因此,內部還在接受外部各點的傳熱,溫度還處于上升之中。

鋼管混凝土構件與素混凝土構件相同測定處的溫度曲線走向趨勢接近,且數值也很接近,鋼管混凝土構件核心混凝土表面溫度與素混凝土構件表面溫度大致相等。從圖4中可以看出,鋼管壁的溫度曲線與大氣溫度曲線形狀和走勢最為接近,與素混凝土構件表面相比,金屬材質的鋼管壁溫度變化更加明顯。

圖5為烏魯木齊市素混凝土與鋼管混凝土構件截面溫度變化曲線。由圖5(a)分析可得,在第5 h時,大氣溫度達到峰值15 ℃。此時,素混凝土表面溫度為11.75 ℃,是大氣溫度的0.77倍;中心處溫度為11.18 ℃,是大氣溫度的0.78倍。試驗時間段內素混凝土同一截面不同位置溫度倍數關系分析可得出,混凝土表面、素混凝土構件1/2半徑所處圓周處和中心處溫度大致相等。從圖5(a)曲線整體走勢可知,大氣溫度曲線呈下降-上升-下降趨勢,溫度變化區間為4.5～15 ℃,混凝土相比金屬材料鋼管壁導熱系數較小,對溫度敏感性差,使得混凝土構件截面溫度變化程度較小,曲線相對趨于平緩,溫差在2 ℃內。其中混凝土中心處溫度曲線最為穩定。

圖5 烏魯木齊市素混凝土與鋼管混凝土構 件截面溫度變化曲線

由圖5(b)分析可得,當大氣溫度達到峰值15 ℃時,鋼管壁溫度為15.12 ℃,是大氣溫度的1.01倍,兩者溫度較為接近,核心混凝土表面溫度為11.66 ℃,是大氣溫度的0.77倍,核心混凝土中心溫度為11.80 ℃,是大氣溫度的0.79倍。與素混凝土相比,核心混凝土與素混凝土表面溫度也近似相等。鋼管壁因金屬材質導熱系數較大,溫度變化比混凝土溫度變化明顯。

3 鋼管混凝土脫粘分析

當外界溫度升高較大時,鋼管和混凝土都會發生熱脹現象,但是因為兩者的材質不同,鋼管壁的熱膨脹量大于管內核心混凝土,導致兩者的熱膨脹量變化不同步而產生差值,當差值足夠大時,鋼管與混凝土就會發生脫粘現象。根據試驗結果,西寧市與烏魯木齊市兩地鋼管混凝土試件脫粘曲線如圖6所示。

圖6 烏魯木齊市與西寧市鋼管 混凝土構件脫粘曲線

由圖6(a)可知,在整個試驗過程中脫粘值均為負值,說明鋼管與核心混凝土未發生脫粘,且鋼管對核心混凝土的約束還有所加強。當大氣溫度最高時(16.5 ℃),鋼管對混凝土的套箍作用達到最大。鋼管壁對核心混凝土的套箍作用隨模擬氣溫的變化呈先增大后減小的變化趨勢。

由圖6(b)分析可得,在試驗過程中既有套箍作用階段也有脫粘階段。在大氣溫度為16.5 ℃時,鋼管與核心混凝土之間脫粘程度達到最大值0.02 mm。大氣溫度從16.5 ℃下降到4.5 ℃時,脫粘值也開始下降且降速較快,直到閉合。在大氣溫度為6.5 ℃時,鋼管與混凝土之間脫粘值剛好為0,此后由于核心混凝土的收縮小于鋼管壁的收縮,故鋼管和混凝土之間的脫粘為負值,鋼管對混凝土有套箍作用,隨大氣溫度的下降套箍作用越來越明顯。

4 結論

選取新疆烏魯木齊市和青海西寧市兩個地區典型日平均溫度在大氣模擬箱中對鋼管混凝土構件和素混凝土構件進行了構件截面溫度場和鋼管與核心混凝土脫粘測試試驗,得出以下結論。

(1)大氣溫度作用下,鋼管混凝土構件中鋼管外壁的溫度變化最明顯,與大氣溫度較接近。鋼管混凝土與素混凝土在同一個系列上,溫度變化規律基本相同,但最高溫度和最低溫度及其出現時間有所不同。

(2)大氣溫度作用下鋼管混凝土構件和素混凝土構件的截面溫度場為非均勻場,從而產生溫差應力。西寧市試驗構件在溫差反復作用下,鋼管與核心混凝土之間出現脫粘現象,削弱了鋼管對核心混凝土的套箍作用,嚴重影響了鋼管混凝土的承載能力。

(3)鋼材導熱系數相對較大,在溫度沖擊過程中,鋼管壁和核心混凝土外表面存在一個溫度差,表明鋼管混凝土界面存在導熱滯后效應。因而,需要考慮鋼管與混凝土界面的接觸熱阻的作用。

(4)當大氣溫度從較高迅速遞減時,鋼管對核心混凝土會產生套箍作用,且隨溫度越低,鋼管的套箍作用越強。當溫度先下降后上升時,由于核心混凝土溫度變化的滯后性,可能會使鋼管對核心混凝土產生的套箍作用持續一段時間后再減弱。