西北大温差地区钢管混凝土构件温度场及脱粘分析

祁 强, 张思远

(1.平凉职业技术学院建筑工程系, 甘肃 平凉 744000; 2.广州科技职业技术大学, 广州 510550)

近年来,钢管混凝土结构应用广泛,服役地域纬度辽阔,其建筑结构中以钢管混凝土系杆拱桥最为常见,大跨度钢管混凝土拱桥往往跨越高山峡谷、江河湖泊,以其造型美观、场地适应性好和优越的经济性等优点,在跨度桥梁设计中逐渐成为一种具有竞争力的桥型设计方案。该桥型用途性质所处地区年温、日温变化均较大,在某些特殊地区,气温年变化幅度在40 ℃以上,气温日变幅在40 ℃以上。在实际工程应用中,由于环境温度冲击循环等多重因素作用,钢管混凝土界面存在脱粘现象,这将直接影响钢管混凝土的工作性能和结构安全。

系杆拱桥外部是静定结构,内部是超静定结构[1],温度的变化使超静定拱桥产生附加内力和附加应力[2],并使拱肋钢管与核心混凝土发生脱粘,降低钢管混凝土受力性能[3]。因此研究温度作用下拱肋截面温度场变化规律和拱肋与核心混凝土脱粘状况是一个重要的课题[4]。在钢管混凝土构件温度场研究方面,刘晓等[5]研究了高强钢管混凝土的耐火极限;林春姣等[6]、王江龙和李扬[7]应用有限元对哑铃型截面拱肋进行了水化作用下钢管混凝土构件温度场计算;周里鸣等[8]进行了大型钢管混凝土组合拱肋温度场及效应分析;林春姣等[9]将直径为φ325 mm的拱肋模型置于室外,进行了拱肋截面温度场观测试验;Liu等[10]进行了冷流作用下钢管混凝土构件截面温度场分布规律分析;刘世忠等[11]研究了部分填充混凝土矩形钢管组合桁梁桥冲击系数;佘宇豪等[12]研究了内置GFRP(玻璃纤维增强塑料)管钢管混凝土柱延性非线性分析;陈宝春和刘振宇[13]进行了钢管混凝土脱粘温度场分析,结合试验数据,探寻服役环境下钢管混凝土界面结合状态,揭示钢管混凝土界面脱粘机理,形成钢管混凝土界面性能优化理论和方法。

目前国内对西北昼夜大温差作用下钢管混凝土构件截面温度场分布规律及钢管与核心混凝土脱粘状况研究较少。为此,本文对西北地区昼夜大温差条件下钢管混凝土构件截面温度场及钢管与核心混凝土脱粘情况进行实测试验,通过定制加热装置、设计试验方法实现温度冲击循环试验。对测试结构进行分析,以掌握在西北地区昼夜大温差条件下截面温度场分布规律和钢管混凝土界面黏结状态。以期为钢管混凝土界面优化以及确保恶劣环境下钢管混凝土长期工作性能提供一定的理论和试验参考。

1 试验介绍

构件采用长度为1 000 mm,直径为630 mm,壁厚为11 mm的钢管,内填C50的混凝土。钢管混凝土构件中总共布置22个温度测点,构件内部布置18个,为防止传感器过密影响混凝土浇筑,内部传感器分两层交错布置,第1层在距构件底部600 mm处,第2层在距底部400 mm处,平均距构件底部为500 mm。在构件钢管外壁距地面500 mm处沿圆周均匀布置4个温度测试仪,测试钢管壁温度变化,从圆心到钢管外表面为一个系列,总共有8个系列,每个系列上布置3个测点(圆心处为公用测点)。钢管混凝土物件内部测点布置如图1所示。取同样尺寸的素混凝土作为对照试验,素混凝土总共布置9个温度测点,分为4个系列。素混凝土物件测点布置如图2所示。

1～18为测点编号

1～9为测点编号

构件内部采用T形热电偶温度探头测量温度,其被固定在钢筋网架上,待钢管内混凝土浇筑到距下端400 mm时将第2层网架放入,再浇筑到600 mm时将第1层网架放入,然后浇筑完剩余混凝土,钢管壁上采用温度应变计。待混凝土龄期为28 d时,经检查钢管与核心混凝土紧密贴合情况下将其置于大气模拟箱中,采用温度巡检仪1次/6 min采集数据。大气温度模拟箱中的测试构件如图3所示。

图3 大气温度模拟箱中的测试构件

选取西北两个地区(青海省西宁市、新疆乌鲁木齐市)日平均气温分为12个时间段(12 h)在大气模拟箱中模拟测试,分析典型测点温度随时间的变化规律,统计两地2022年和2023年7月份两年的平均气温。两个地区代表性平均温度变化见表1。

表1 大气温度变化

2 构件截面温度场分析

图4为西宁市素混凝土与钢管混凝土构件截面温度变化曲线。

由图4(a)可知,大气温度在第1～5 h上升时,混凝土外表面温度开始上升,混凝土1/2半径处温度和混凝土中心温度也开始升高,但混前两者温度升高速度比混凝土中心要快。在第5 h时,大气温度达到峰值16.5 ℃。此时,素混凝土外表面(2、4、6、8测点处)温度为4.475 ℃,是大气温度的0.27倍;素混凝土构件1/2半径所处圆周(1、3、5、7测点处)温度为1.275 ℃,是大气温度的0.08倍;中心处(9测点处)温度为0.6 ℃,是大气温度的0.036倍。从第5 h开始,大气温度开始下降,混凝土外边缘温度还在上升,但在第6 h后开始下降,混凝土1/2半径所处圆周温度和混凝土中心温度仍然在上升。素混凝土中心处温度在试验所选时间段最后第12 h时达到峰值4 ℃,是此时大气温度0.24倍。

从图4(a)曲线整体走势可看出,试验时间段内,素混凝土中心处温度均为单调上升走向。大气温度上升时间段,曲线变化逐步加快;大气温度下降时间段,曲线变化逐步趋于平缓。曲线中素混凝土中心处温度曲线更为平缓。混凝土升降温相比大气温度具有滞后性,且同一个系列从外到里滞后性逐渐加强。

由图4(b)可知,大气温度在第1～5 h上升,在第5 h大气温度达到峰值16.5 ℃。此时,钢管壁温度为11.1 ℃,是大气温度的0.67倍;核心混凝土表面温度为4.24 ℃,是大气温度的0.26倍;核心混凝土中心处温度为0.5 ℃,是大气温度的0.03倍,其中钢管壁导热系数最大,温度与大气温度最为接近。钢管外壁和核心混凝土外边缘温度同大气温度趋势相同,先逐渐上升再下降,因钢管外壁导热系数大于混凝土,其上升趋势快于后者。核心混凝土1/2半径圆周处温度和核心混凝土中心温度也开始逐步升高,因传热路径较长,同一个系列上由外到内温度升高依次滞后。从第5 h开始,大气温度开始下降,由于温度变化的滞后性,内部温度仍低于外部。因此,内部还在接受外部各点的传热,温度还处于上升之中。

钢管混凝土构件与素混凝土构件相同测定处的温度曲线走向趋势接近,且数值也很接近,钢管混凝土构件核心混凝土表面温度与素混凝土构件表面温度大致相等。从图4中可以看出,钢管壁的温度曲线与大气温度曲线形状和走势最为接近,与素混凝土构件表面相比,金属材质的钢管壁温度变化更加明显。

图5为乌鲁木齐市素混凝土与钢管混凝土构件截面温度变化曲线。由图5(a)分析可得,在第5 h时,大气温度达到峰值15 ℃。此时,素混凝土表面温度为11.75 ℃,是大气温度的0.77倍;中心处温度为11.18 ℃,是大气温度的0.78倍。试验时间段内素混凝土同一截面不同位置温度倍数关系分析可得出,混凝土表面、素混凝土构件1/2半径所处圆周处和中心处温度大致相等。从图5(a)曲线整体走势可知,大气温度曲线呈下降-上升-下降趋势,温度变化区间为4.5～15 ℃,混凝土相比金属材料钢管壁导热系数较小,对温度敏感性差,使得混凝土构件截面温度变化程度较小,曲线相对趋于平缓,温差在2 ℃内。其中混凝土中心处温度曲线最为稳定。

图5 乌鲁木齐市素混凝土与钢管混凝土构 件截面温度变化曲线

由图5(b)分析可得,当大气温度达到峰值15 ℃时,钢管壁温度为15.12 ℃,是大气温度的1.01倍,两者温度较为接近,核心混凝土表面温度为11.66 ℃,是大气温度的0.77倍,核心混凝土中心温度为11.80 ℃,是大气温度的0.79倍。与素混凝土相比,核心混凝土与素混凝土表面温度也近似相等。钢管壁因金属材质导热系数较大,温度变化比混凝土温度变化明显。

3 钢管混凝土脱粘分析

当外界温度升高较大时,钢管和混凝土都会发生热胀现象,但是因为两者的材质不同,钢管壁的热膨胀量大于管内核心混凝土,导致两者的热膨胀量变化不同步而产生差值,当差值足够大时,钢管与混凝土就会发生脱粘现象。根据试验结果,西宁市与乌鲁木齐市两地钢管混凝土试件脱粘曲线如图6所示。

图6 乌鲁木齐市与西宁市钢管 混凝土构件脱粘曲线

由图6(a)可知,在整个试验过程中脱粘值均为负值,说明钢管与核心混凝土未发生脱粘,且钢管对核心混凝土的约束还有所加强。当大气温度最高时(16.5 ℃),钢管对混凝土的套箍作用达到最大。钢管壁对核心混凝土的套箍作用随模拟气温的变化呈先增大后减小的变化趋势。

由图6(b)分析可得,在试验过程中既有套箍作用阶段也有脱粘阶段。在大气温度为16.5 ℃时,钢管与核心混凝土之间脱粘程度达到最大值0.02 mm。大气温度从16.5 ℃下降到4.5 ℃时,脱粘值也开始下降且降速较快,直到闭合。在大气温度为6.5 ℃时,钢管与混凝土之间脱粘值刚好为0,此后由于核心混凝土的收缩小于钢管壁的收缩,故钢管和混凝土之间的脱粘为负值,钢管对混凝土有套箍作用,随大气温度的下降套箍作用越来越明显。

4 结论

选取新疆乌鲁木齐市和青海西宁市两个地区典型日平均温度在大气模拟箱中对钢管混凝土构件和素混凝土构件进行了构件截面温度场和钢管与核心混凝土脱粘测试试验,得出以下结论。

(1)大气温度作用下,钢管混凝土构件中钢管外壁的温度变化最明显,与大气温度较接近。钢管混凝土与素混凝土在同一个系列上,温度变化规律基本相同,但最高温度和最低温度及其出现时间有所不同。

(2)大气温度作用下钢管混凝土构件和素混凝土构件的截面温度场为非均匀场,从而产生温差应力。西宁市试验构件在温差反复作用下,钢管与核心混凝土之间出现脱粘现象,削弱了钢管对核心混凝土的套箍作用,严重影响了钢管混凝土的承载能力。

(3)钢材导热系数相对较大,在温度冲击过程中,钢管壁和核心混凝土外表面存在一个温度差,表明钢管混凝土界面存在导热滞后效应。因而,需要考虑钢管与混凝土界面的接触热阻的作用。

(4)当大气温度从较高迅速递减时,钢管对核心混凝土会产生套箍作用,且随温度越低,钢管的套箍作用越强。当温度先下降后上升时,由于核心混凝土温度变化的滞后性,可能会使钢管对核心混凝土产生的套箍作用持续一段时间后再减弱。