摘 要：為研究灌注樁施工過程中殘留的泥皮厚度及不同鋼管徑厚比對鋼管混凝土抗彎性能的影響，采用模擬水下澆筑混凝土的方法制備了6根鋼管混凝土組合樁試件，對其進(jìn)行了純彎試驗及截面測量，得到了各試件的彎矩-跨中撓度曲線、彎矩-曲率曲線、受彎承載力及抗彎剛度等. 試驗結(jié)果表明：泥皮的存在會削弱鋼混組合樁的抗彎性能，使其抗彎剛度降低5%～25%，極限受彎承載力降低5%～10%，且徑厚比越小受泥皮的影響越明顯;當(dāng)泥皮存在時，徑厚比的減小使得鋼混組合樁受彎承載力及抗彎剛度的提升幅度不如無泥皮狀態(tài);存有殘留泥皮的鋼混組合樁在受彎過程中截面不再符合平截面假定;采用統(tǒng)一理論所計算的抗彎承載力與試驗值吻合較好，但隨泥皮厚度增長，逐漸較試驗值偏大，導(dǎo)致設(shè)計預(yù)留的安全儲備降低;抗彎剛度的計算公式組合系數(shù)出現(xiàn)明顯下降，組合系數(shù)在0.1～0.4左右.

　　關(guān)鍵詞：鋼管混凝土;鋼混組合樁;泥皮;徑厚比;抗彎性能;受彎承載力

　　《中國醫(yī)院建筑與裝備》(月刊)創(chuàng)刊于2000年，是中華人民共和國衛(wèi)生部主管、衛(wèi)生部醫(yī)院管理研究所主辦的衛(wèi)生工程與醫(yī)學(xué)裝備技術(shù)學(xué)科領(lǐng)域的權(quán)威刊物。

　　鋼管混凝土不僅有質(zhì)量可控性高、可受沖擊力強(qiáng)、耐疲勞、塑性能力強(qiáng)、耐火性好等優(yōu)點[1]，而且在施工過程中，可直接使用鋼護(hù)筒作為模板，還具有施工簡單快速等施工優(yōu)勢[2].

　　在一些橋梁工程中，鋼管混凝土作為基礎(chǔ)構(gòu)件已被廣泛使用[3]，此時鋼管混凝土在承受豎向荷載的同時還會承受因波浪力、物體沖擊以及地震作用等一系列水平荷載，因此對鋼管混凝土的抗彎性能應(yīng)予以重視. 目前對鋼管混凝土的研究多集中在受壓性能研究[4-11]，關(guān)于鋼管混凝土抗彎性能的研究較少，且很少涉及泥皮、徑厚比等因素的影響. 施工時殘留的泥皮會減弱鋼管與混凝土之間黏結(jié)及整體性，從而對鋼混組合樁的抗彎性能產(chǎn)生影響. 同時在施工過程中需對鋼護(hù)筒進(jìn)行合理選取以便使施工更快速高效，而鋼管徑厚比的選擇是鋼管混凝土構(gòu)件設(shè)計的關(guān)鍵，直接關(guān)系到構(gòu)件的承載能力和經(jīng)濟(jì)性[12].

　　因此，本文主要在鋼管和混凝土之間模擬添加了施工過程中產(chǎn)生的泥皮，并設(shè)置了不同徑厚比的鋼管，采用純彎試驗分析了泥皮及徑厚比對鋼管混凝土組合樁抗彎性能的影響規(guī)律，并在內(nèi)部設(shè)置應(yīng)變片觀察了存在泥皮時鋼混組合樁在受彎過程中截面應(yīng)變分布，最后通過理論計算與實測數(shù)據(jù)對比給出了泥皮存在對理論公式計算的影響及抗彎剛度組合系數(shù).

　　1 試驗研究

　　1.1 試驗概況

　　本次試驗旨在通過四點純彎試驗研究鋼混組合樁的抗彎性能. 試驗制作的試件共計6根，長為

　　4 000 mm，對比試驗分為兩大類，一類用來研究泥皮的影響，另一類用來研究徑厚比的影響. 試件的具體參數(shù)如表1所示.

　　為盡可能模擬現(xiàn)場施工環(huán)境下鋼混組合樁的力學(xué)性能，試驗采用的試件全部為施工現(xiàn)場制作，使用的鋼管為國標(biāo)Q235b螺旋焊管，鋼管直徑均為426 mm，壁厚分別為5 mm與10 mm. 鋼管的力學(xué)性能參數(shù)如表2所示. 澆筑試件所采用的混凝土為現(xiàn)場澆筑樁基的C60混凝土，試件澆筑采用同批次混凝土，采用相同方式澆筑，其具體配合比如表3所示. 制作試件時，對同一批次試件留制 150 mm×150 mm×150 mm混凝土材性試塊，并將此材性試塊與構(gòu)件在同等養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28 d，用以測定混凝土的力學(xué)性能，混凝土的力學(xué)性能指標(biāo)如表4所示. 管內(nèi)縱筋采用16 mm的HRB400熱軋螺紋鋼筋，箍筋采用10 mm的HPB300熱軋光圓鋼筋.

　　1.2 泥皮制作及混凝土澆筑

　　泥皮使用現(xiàn)場泥漿制作，泥皮的厚度通過泥漿密度控制. 制作薄泥皮所采用的泥漿為第二次清孔時的泥漿，即鋼混組合樁現(xiàn)場施工時下放鋼筋籠之后清孔時的泥漿，泥漿密度約為1.15 g/mm3;制作厚泥皮所采用的泥漿為第一次清孔時的泥漿，即旋挖機(jī)鉆孔完畢后孔內(nèi)的泥漿，泥漿密度約為1.2 g/mm3.

　　泥皮制作過程將模仿鋼混組合樁泥漿護(hù)壁水下澆筑混凝土的方式，盡量使制作過程和現(xiàn)場施工接近，具體流程如下：

　　1)從鋼混組合樁現(xiàn)場施工孔內(nèi)取得泥漿，并將泥漿灌滿鋼管;

　　2)采用PVC管進(jìn)行導(dǎo)流，將準(zhǔn)備好的PVC管插入鋼管，使PVC管下部距鋼管底部有30～50 cm的距離，并將集料漏斗置于PVC管上方，使漏斗口能夠卡進(jìn)管口，同時用塞子將漏斗口堵住;

　　3)在集料漏斗內(nèi)灌滿混凝土并快速拔出塞子，使斗內(nèi)的混凝土全部倒入鋼管內(nèi)，同時將泥漿從鋼管管口擠出;

　　4)當(dāng)混凝土灌入而泥漿不再排出時，把PVC管稍微上提，見有大量泥漿流出后接著灌注混凝土. 按照這種方法邊澆筑邊拔管，直到將鋼管內(nèi)灌滿混凝土為止，其間輕敲鋼管壁以使混凝土均勻分布.

　　1.3 試驗加載及布置方案

　　采用圖1所示的加載裝置進(jìn)行鋼混組合樁的四點純彎試驗. 抗彎試驗加載方式為雙向進(jìn)油液壓千斤頂單調(diào)分級靜力加載. 試驗加載臺為4 m × 5 m × 4 m的混凝土加載池，反力架的加載上限為2 000 kN. 受彎試件長4 m，支座之間的距離為3.6 m. 加載段長為3.6 m，兩端各有0.2 m搭接在支座上. 支座與試件之間的連接為鉸連接. 通過荷載分配梁分配從千斤頂傳遞下來的豎向荷載，荷載分配梁使用U型卡座與試件相連. 荷載分配梁的長度為1.2 m，分配梁的加載點位于試件加載段的三分點處. 在試件的跨中及荷載分配梁的加載點下方放置3個百分表用于測量試件的撓度. 試件內(nèi)部縱筋及鋼管表面分別貼有應(yīng)變片用于研究鋼混組合樁受彎過程中的應(yīng)變情況. 加載過程初期階段，每級加載為預(yù)估極限荷載的10%，每級加載后記錄百分表數(shù)值及應(yīng)變數(shù)值，荷載持續(xù)時間為2～3 min之后再進(jìn)行下一級記載. 當(dāng)試件出現(xiàn)非線性變化時，每級荷載變?yōu)轭A(yù)估極限荷載的5%，每級荷載持續(xù)時間為2 min. 在試件非線性變化接近破壞時，采用緩慢連續(xù)加載直至試件破壞.

　　試驗現(xiàn)場加載裝置布置如圖2所示.試驗時每根試件共布置了兩個測試截面，每個測試截面中混凝土內(nèi)部的鋼筋上共布置了4個應(yīng)變片，鋼管外壁上共布置了5個應(yīng)變片，內(nèi)外總共布置9個應(yīng)變片，具體布置如圖3所示. 圖3中，編號以G開頭的應(yīng)變片為布置在鋼管表面的應(yīng)變片;編號以J開頭的應(yīng)變片為布置在主筋上的應(yīng)變片. 圖中標(biāo)注的尺寸為各個應(yīng)變片距測量截面底部的距離，分別為0 mm、33 mm、63 mm、213 mm、363 mm、393 mm和426 mm.

　　1.4 加載過程

　　在加載初期，試件跨中與加載點的撓度發(fā)展并不明顯. 隨著荷載的增大，百分表的讀數(shù)均勻增加. 當(dāng)荷載值接近最大加載值的20%～30%時，加載過程中可以聽到清脆的混凝土開裂聲;荷載繼續(xù)增大至最大加載值的50%時，混凝土開裂的聲音越來越明顯，跨中撓度的讀數(shù)也開始非線性增大;當(dāng)荷載加載至最大加載值的75%附近時，試件會發(fā)出“咚”的聲音，可以推測此處受壓區(qū)混凝土由于受到三向壓力的作用最終發(fā)生了受壓破壞，試件的非線性顯著增強(qiáng);隨著荷載繼續(xù)增加，試件的撓度迅速發(fā)展，表層殘留的銹跡脫落嚴(yán)重. 油壓千斤頂維持荷載變得越來越困難，最終試件無法繼續(xù)承擔(dān)荷載，此時可以認(rèn)為試件已經(jīng)發(fā)生了彎曲破壞.

　　2 試驗結(jié)果及分析

　　2.1 試驗現(xiàn)象

　　在純彎試驗結(jié)束后，對試件進(jìn)行了切割以觀察核心混凝土的受彎破壞特征. 內(nèi)部混凝土的破壞情況如圖4所示.

　　從圖4中可以看出，雖然外部的鋼管沒有出現(xiàn)明顯的變化，但是內(nèi)部的混凝土已經(jīng)產(chǎn)生了大量的裂縫. 在鋼混組合樁受彎時，由于受拉區(qū)混凝土?xí)杆匍_裂并喪失承載力，試件的中和軸將會上移. 隨著荷載的不斷增大，混凝土受拉裂縫不斷向上發(fā)展，混凝土的受壓區(qū)會不斷地減小. 觀察裂縫的位置可知，裂縫均分布在純彎段部分，混凝土的受拉區(qū)已經(jīng)全部開裂，豎向裂縫已經(jīng)延伸至形心軸上方.