（岩土工程专业论文）考虑钢护筒效应的桥桩水平承载特性研究.pdf

摘要 考虑钢护筒效应的桥桩水平承载特性研究 硕士研究生：郭磊指导教师：穆保岗副教授 东南大学土木工程学院 摘要 桥梁深水基础，不仅受深水环境的直接作用，而且深水对其设计理论和施工技术都会提出一些特殊问 题。因此，桥梁桩基础的设计需要考虑到多方面因素的影响。在目前的桥梁深水桩基础中，尺寸大于2 m 的大直径钻孔灌注桩应用越来越普遍。考虑到施工的可行性，在深水区域，灌注桩的成孔常采用钢护筒法 进行施工。钢护筒可以起到固定桩位、引导钻头方向、隔离地面水防止其流入孔内、保护孔口及孔壁不坍 塌，确保成孔、成桩质量的作用。 在具有钢护筒的桩身部分，钢护筒和混凝七桩身实际上形成了“上大下小”的变截面大直径混合桩： 即上部为类似f 钢管混凝土柱、下部为钢筋混凝土桩的混合桩身。上部的混合桩在水平荷载作用下，桩身 的最大弯矩和最大位移都将受到钢护筒的影响，因此考虑钢护筒和桩身混凝土的相互作用极为合理和必 要，而且钢护筒在实际应用中的作用可能会不只局限于施工j 艺方面，还会在辅助桩基础受力方面起到一 定作用。另外，在桥梁桩基础施工中，钢护筒和混凝士桩身之间会不可避免的产生泥皮，泥皮的存在也将 对桩基的承载性能产生影响。 因此，本文主要针对钢护筒给桩身水平向承载性能带来的影响进行研究，同时研究泥皮的存在对桩基 承载性能的影响。本文首先采用模型试验的方法对桩基水平向承载性能进行研究，进行了3 个模型构件的 试验；接着采用钢管混凝土理论以及桩基水平承载力计算理论，对具有钢护筒的桩基础的水平向承载性能 进行理论分析；然后采用有限元法对钢护筒桩基础的水平承载性能进行数值分析；最后将以上三种方法得 到的研究结果进行比较总结。通过以上分析，得出初步结论。 关键词：桥梁桩基础钢护筒水平承载性能模型试验钢管混凝土a n s y s 9 0 a b s t r a c t s t u a yo nh o r i z o n t a lb e a r i n gc h a r a c t e r i s t i c so fb r i d g e p i l e f o u n d a t i o nw i t hs t e e lt u b e s p e c i a l t y ：g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g g r a d u a t es t u d e n t ：g u ol e i s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f m ub a o g a n g d e p a r t m e n to f c i v i le n g i n e e r i n g ，s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t t h e 嘶d g ef o u n d a t i o ni nd e e pw a t e ri sn o to n l ya f f e c t e db yt h ee n v i r o n m e n t ，b u ta l s oa f f e c t e di nt h ed e s i g n t h e o r i e sa n dc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y s oi t sn e e d e dt oc o n s i d e ra l la s p e c ti nt h ed e s i g n i n go fb r i d g ef o u n d a t i o n t h eb o r e dp i l ew i t had i a m e t e ro f m o r et h a n2m e t e r si sm o r ea n dm o r ep o p u l a ri nm o d e r nb r i d g ed e e pf o u n d a t i o n i no r d e rt oc o n s t r u c te a s i l y , t h ep i l eh o l ei sa l w a y sd r i l l e dw i t hs t e e lt u b e t h es t e e lt u b eo a nf i xt h ep i l e sp o s i t i o n , l e a dt h ea i g n i l l e , k e e pt h eg r o u n dw a 船：ro u t s i d et h eh o l e , p r o t e c tt h eh o l ea g a i n s tc o l l a p s i n g ，a n di n s u r et h eq u a l i t y o f t h ep i l e t h ep i l ew i t hs t e e lt u b ef o r m sam i x e dp i l ew i t ht r a n s f o r m i n gs e c t i o n i ti sl i k es t e e ln l b cc o n f i n e dc o n c r e t e s t r u c t u r ei nt h eu p s i d e , a n di th a sar e i n f o r c e dc o n c r e t eb o d yb e l o w i nt h ep a r to ft h em i x e dp i l e , t h em a x i m u m s 抵sa n dm a x i m u md i s p l a c e m e n ti sa f f e l z t e db yt h es t e e l 砸b e f o rt h i s ，i t sn e e d e dt os t u d yt h e d 】p m c i t yo f s t e e lt u b ea n dr e i n f o r c e dc o n c r e t e t h es t e e lt u b ew i l lp l a yar o l en o to n l yi nt h ec o n s t r u c t i o np r o c e s sb u ta l s oi n t h eb e a r i n gc a p a b i l i t y i na d d i t i o n ，t h eb r i d g ef o u n d a t i o nc o n s t r u c t i o np r o c e s sw i l lp r o d u c em u dl a y e rt oa f f e c tt h e b e a r i n gc a p a b i l i t y t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e so nt h eh o r i z o n t a lb e a r i n gc a p a b i l i t yo fb r i d g ep i l ef o u n d a t i o nw i t hs t e e lm b e , a n d t h ei n f l u e n c eo fm u dl a y e r f i r s ti nt h i sp a p e r , s t u d y 谢t hm o d e lt e s t i n gi sd o n e ，i n c l u d i n gt h r e em o d e l s s e c o n d , t h et h e o r e t i c a la n a l y s i so fh o r i z o n t a lb e a r i n gc a p a b i l i t yo fp i l ef o u n d a t i o nw i t hs t e e lt u b e ，r e f e r r i n gt ot h et h e o r yo f s t e e lt u b ec o n f i n e dc o n c r e t ei sd o n e t h i r = a , t h es t u d yw i t hf i n i t ee l e m e n tm e t h o di sd o n e a tl a s t ，t h er e s u l t so ft h e t h r e em e t h o d si sc o m p a r e d t h ep r i m a r yr e s u l t sc a nb eg a i n e db yt h ea n a l y s i sb e f o r e k e yw o r d s ：b r i d g ep i l ef o u n d a t i o n s t e e lt u b eh o r i z o n t a lb e a r i n gc a p a b i l i t y m o d e lt e s t i n gs t e e lt u b ec o n f i n e dc o n e r e t e a n s y s 9 0 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 短日 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件 和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论 文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊 登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生繇丝导师躲粒日期：篮沙 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 桩基作用 第一章绪论 桩是深入土层的柱型构件，桩与连接桩顶的承台组成深基础，简称桩基。 桩基可由单根桩组成，如一柱一桩的情况，多数情况是由多根桩组成的群桩，荷载通过承台传递给各 桩桩顶。单桩或群桩一般都受有竖向荷载、水平荷载和力矩的共同作用。在一般房屋基础工程中，桩主要 承受垂直的轴向荷载，但在河港、桥梁、高耸塔型建筑、近海钻采平台、支挡建筑以及抗震工程中，桩还 需承受来自侧向的风力、车辆制动力、波浪力、土压力和地震力以及经由上部结构向桩基传递的水平荷载。 桩基础作为一种历史悠久的基础使用形式，在土木工程中得到了广泛应用。承受竖向荷载的桩是通过 作用f 桩周土层的摩阻力和桩端( 或称桩尖、桩底) 的土层阻力将上部结构的荷载，通过较弱十层传递到深 部较坚硬的、压缩性小的土层或岩层；承受水平荷载的桩是通过桩身将所承受的荷载传递到桩侧的土体中 去。 1 1 2 桩基发展简史 桩基的发展过程，主要可从两个方面来说，即桩的材料和成桩工艺方法u 1 。 1 从桩的材料来说，最早使用的是木桩。作为一种古老的处理不良地基的有效方法，早在新石器时 代就有使用木桩的记录，人类在湖泊和沼泽地里栽木桩搭台作为水上住所，汉朝已使用木桩修桥，到宋朝， 桩基技术已比较成熟。 1 9 世纪2 0 年代，开始使用铸铁板桩修筑围堰和码头。到2 0 世纪初，美国出现了各种型式的型钢，特 别是h 型钢桩受到营造商的重视。美国密西两比河上的钢桥大量采用钢桩基础，到3 0 年代在欧洲也被广 泛采用。二次世界大战后，随着冶炼技术的发展，各种直径的无缝钢管也被作为桩材用于基础工程。 2 0 世纪初钢筋混凝土预制构件问世后，才出现厂制和现场预制钢筋混凝土桩。我国在1 9 世纪5 0 年代 开始生产预制钢筋混凝土桩，多为方桩。我国铁路系统于5 0 年代末开始生产使用预应力钢筋混凝土桩。 以混凝十或钢筋混凝土为材料的另一种类型的桩，是就地灌注混凝七桩。1 9 世纪2 0 到3 0 年代己出现 沉管灌注混凝土桩。到5 0 年代，随着大型钻孔机械的发展，出现了钻孔灌注混凝土桩或钢筋混凝土桩。 在5 0 年代到6 0 年代，我国的铁路和公路桥梁曾人量采用钻孔灌注混凝土桩和挖孔灌注桩。 2 从成桩工艺的发展过程看，最早采用的桩基施工方法是打入法。打入的工艺从手锤到自由落锤， 然后发展到蒸汽驱动、柴油驱动和压缩空气为动力的各种打桩机。另外还发展了电动的震动打桩机和静力 压桩机。 随着就地灌注桩，特别是钻孔灌注桩的出现，钻孔机械也不断改进。为提高灌注桩的承载力，出现了 扩大桩端真径的各种扩孔机，出现了孔底或周边压浆的新工艺。目前，桩基的成桩工艺还在不断发展中。 1 1 3 桥梁深水基础的特点 桥梁深水基础，不仅深水环境对它产生许多直接作用，而且深水对其设计理论和施工技术都会提出一 些特殊问题。比如，不论是基础类型选择、基础埋深确定、外荷载或作用力的计算以及地基承载力与沉降 量确定等问题，均与水深有关，因此，有必要了解桥梁深水基础的特点。其主要特点有以下几点：嵋1 1 基础所受的水平力，如水流冲击力、船舶碰撞力、水压力、水撞力、波浪力等，要比陆上或浅水 基础大的多； 2 深水基础的稳定性与安全度，一般常受水文条件控制，所以对桥梁深水基础，水文条件与地质条 件具有同等重要的地位； 3 深水基础除了需要考虑环境水的侵蚀外，还需要考虑潮汐、洪水以及流水所夹砂石与流冰的直接 碰撞、磨损等问题； 东南大学硕士学位论文 4 深水基础类型选择一定要认真考虑，并作全面的可行性分析，因为它不仅关系到基础造价高低， 还直接影响剑桥梁工程的成败、质量和工期； 5 深水基础应具有高抗自然灾害能力，这就要求其勘测设计时作大量、细致的勘测，而深水基础的 地基勘测均需在水下进行原位勘测，工作条件差，要取得真实可靠数据难度大，这就要求其勘测手段更先 进、可靠； 6 深水基础属于水下隐蔽t 程，其设计与施工时必须将水流流速、水深深度等因素及由深水所引起 的其他约束条件联系起来综合分析，并采取相应措施； 7 对于海湾、海峡和近海岛屿间的近海桥梁深水基础，更应考虑海洋环境产生的荷载力，如由台风、 巨浪、大潮所产生的巨大水平力，应成为其设计和施工中必须考虑的重要控制条件： 8 根据桥梁深水基础现状和发展来看，目前在水深大于l o o m 的深水中修建的桥梁基础尚无先例，但 海洋人陆架最人水深可达2 0 0 m ，而现在世界上最深的水+ 卜建筑，即1 9 9 8 年美国墨西哥湾修建的b u ll w i n k e 石油钻井平台、水深达4 1 1 m ，所以在水深2 0 0 m 条件下修建海上桥梁深水基础是可能的，但随着水深的增 加、未知及可变的技术因素也相应增加，其设计和施工的技术难度也将急剧增加。 由以上桥梁深水基础特点可知，桥梁桩基础的设计需要考虑到多方面因素的影响。另外，桥梁深水桩 基础中，尺寸大于2 m 的大直径钻孔灌注桩应用越来越普遍。考虑到施工的可行性，在深水区域，灌注桩 的成孔常采用钢护筒法进行施工口1 。钢护筒可以起到固定桩位、引导钻头方向、隔离地面水防止其流入孔 内、保护孔口及孔壁不坍塌，确保成孔、成桩的质量h 1 。 本文收集了一些实际桥梁基础中使用的钢护筒尺寸，如表1 1 所示。从中可以看出，钢护筒外径一 般比桩径大0 2 m 0 4 m ，个别工程增大比较多：另外，钢护筒长度一般为桩长的4 0 左右。因此，在分析 桩基础水平承载特性时，不能忽略钢护筒的影响。 表1 1 实际工程中钢护筒尺寸 工程名称桩长桩径水深钢护筒外径钢护筒钢护筒长度 壁厚 长沙湘江南大桥主 。 5 o m 3 5 m 。 5 ，4 m ( 外护 。桥主墩 筒) 3 7 m ( 内护筒) 芜湖长江大桥l 8 。 3 o m 。 3 2 m2 2 m m3 5 m 号墩 成( 都) 一南( 充) 高速 1 5 m3 8 2 4 m 3 m m5 1 m 公路妻江大桥3 4 墩、 4 5 m 4 4 墩 泰州森北大桥3 4 墩、 1 2 m 5 m 1 5 1 2 m ( 外护 6 m m 8 5 m ( 外护 2 4 墩筒) 1 2 1 m ( 内护筒) 7 5 m ( 内护 筒)筒) 苏通大桥主桥基础 。 2 5 m - - - 。 2 8 5 m2 5 m m6 9 2 m 2 8 m 浙江椒江大桥a 标7 6 7 8 m2 o m 2 3 m1 4 m m3 0 一- , 5 0 m 8 2 8 4 墩 1 2 研究意义 由以上研究背景可见，在采用钢护筒法对桥梁灌注桩基础施工时，当钢护筒的长度考虑施工环境影响 而较大时，钢护筒直径比设计直径的扩大量将比较可观畸1 。当钢护筒的长度超过河水冲刷线以后，桩体实 际上形成“上大下小”的变截面大直径混合桩：即上部为类似于钢管混凝土柱、下部为钢筋混凝十桩的混 合桩身：另外，在钢护筒范围内，由于钢护筒的环箍效应，该段桩体将呈现出钢一混凝土组合结构的承载 特性。 上部的混合桩在水平荷载作用下，桩身的最大弯矩和最大位移处均处于具有钢护筒的部分，因此考虑 此段桩身钢护筒和桩身混凝土的相互作用极为合理和必要。钢护筒在实际应用中的作用可能会不只局限于 施工工艺方面，同时还会在辅助桩基础受力方面起到一定作用。目前的桥梁桩基础设计一般不考虑其有利 影响，而是按照等截面桩来进行设计和复核，这不符合实际受力状况，且会造成浪费。同样，在竖向荷载 作用下，上部桩段的摩阻力分布性状对长桩和超长桩的承载性能和变形分布计算的准确性影响很大，有必 要对混合桩的竖向承载性能进行研究。 2 第一章绪论 因此，对于该问题的研究。将使人们对大直径桥梁桩基的受力机理了解的更为详细，也会使设计更符 合实际情况，同时将对桥梁桩基础的设计以及建造成本等方面产生重要影响。 另外，本文研究内容隶属于国家科技支撑计划项目课题，课题名称为：千米级斜拉桥技术标准和关键 结构及特性研究，课题编号为2 0 0 6 b a g 0 4 8 0 1 。 1 3 国内外研究现状 目前，有部分学者已经注意到大直径混合桩设计中存在的不合理现象，但基本上没有关于这方面的系 统理论探讨。 国际上有明确采用混合桩概念考虑的为日本大芝大桥怕，它在比较了不同钢管特性的性价比后，采用 带凸缘的线形钢管。传统的多桩基础形式是采用在无加劲肋的光面钢管中填充钢筋混凝土，这种钢管与钢 筋混凝土的整体性不能充分保证的桩被称为混合桩，是近年来海上桥梁常用的形式。但大芝桥为了取得更 经济的设计，在光面钢管的内面带有肋条，因而钢管本身与填充的钢筋混凝土可以发挥同等的效果，也就 是使钢管与混凝土达到整体化作用，成为组合式的多桩基础。 总体来说，将钢护筒作为桩基础受力体系一部分的研究还相当少h 1 ，因此，本文的研究将有助于弥补 这方面的空白。 1 4 研究内容 研究内容主要包括以下几个方面： 1 试验研究 采用模型试验的方法对桩基承载性能进行研究； 2 理论分析 采用钢管混凝土理论以及桩基水平承载力计算理论，对具有钢护筒的桩基础的水平向承载性能进行理 论分析； 3 有限元模拟 采用有限元法对钢护筒桩基础的承载性能进行研究。 参考文献 桩基工程手册编写委员会桩基工程手册 m 北京：中国建筑工业出版社，1 9 9 5 刘自明桥梁深水基础 m 北京：人民交通出版社，2 0 0 3 于祥君，戴宗诚大型深水基础施工方案研究 j 铁道标准设计，2 0 0 5 ，( 6 ) ：3 4 3 8 高纪兵，何平，何官健，柏争苏通大桥北索塔墩大直径超长钢护筒施沉工艺 j 施工技术，2 0 0 5 ， ( 增) ：1 8 8 1 9 1 崔雪梅，吴泽和大直径钢护筒下沉施工设备及其应用 j 桥梁建设，2 0 0 6 ，( 增1 ) ：1 2 3 - - 1 2 4 ，1 3 0 严国敏日本大芝桥的设计与施工 j 国外桥梁，1 9 9 7 ，( 4 ) ：1 9 - - 2 4 ，3 1 黄亮生，冯向宇钢护筒参与桩身受力的构造处理和计算分析 j 结构工程师，2 0 0 5 ，2 1 ( 4 ) ：5 2 - - - 5 5 林天健，熊厚金，乇利群桩基础设计指南 m 北京：中国建筑工业出版社，1 9 9 9 冯世挺横向承载群桩的有限元计算分析 d ： 硕士学位论文 杭州；浙江大学，2 0 0 3 2 3 1 j 1 j 1 j 1 j 1 j 1 j 1 j 1 j 1 j n 眩口心 瞄口晒国 东南大学硕士学位论文 2 1 总论 第二章试验分析与结果总结 本文的主要研究内容是钢护筒给桥梁深水桩基础水平承载力带来的影响，以及钢护筒和混凝士之间的 泥皮对承载性能带来的影响。原型试验是最直观有效的研究方式，它可以直接反映出所研究的结果。但 是原型试验具有成本高、可行性差等缺点。因此，本文采用模型试验的方法进行研究，既具有试验的直观 性优点，又能避免带来较高的成本他1 。 2 2 构件设计 2 2 1 构件说明 由于在试验中模拟真实的桩体工作环境比较困难，同时本试验研究的是钢护筒和泥皮因素对桩基承载 性能的影响，属于对比试验的范畴，因此，没有必要模拟出真实的工作环境。只需各种构件处于相同的荷 载条件下即可。 所以在设计构件时，将桩基模型简化成下端固定的柱结构模型，同时不考虑士体的影响。为了便于试 验时进行固定和加载，分别在柱上部和底部设置支座，底部支座用于将构件下部固定，上部支座用于施加 水平推力啼1 。构件形式及尺寸见图2 1 。 器器 2 2 2 构件制作要点 2 0 姒! ! ! ! 址o o 正视图 ￥ 0 0 。i ￥ 加载方向 j 妈 j | ! ! ! ! 尸 1 5 棼姒5 0 2 5 0 侧视图俯视图 图2 1 试验构件尺寸图 构件制作过程主要包括以下几个方面： 1 材料购备：所需材料：q 2 3 5 的3 m m 厚钢板( 分有花纹和无花纹) 、c 3 0 混凝土、q 2 3 5 和q 3 3 5 的钢 筋若干。 2 制作模板、绑扎钢筋：在桩的上部支座中，钢管外壁焊接两层胡子筋，每层四根，每根长2 0 c m 。 3 制作钢筋计、连接导线：每根构件内部配四根1 2 的q 3 3 5 钢筋，钢筋中部粘贴自补偿半桥应变片， 构成钢筋计。钢筋计做好以后将导线焊接于应变片上，并引出一定长度。导线从桩下部支座引出，并在导 线上编号，以区分各线所连应变片的位置。 4 o 。聿篓 对弋i 引刮1 0 第二章试验分析与结果总结 4 粘贴外表面应变片：每根桩在外壁上粘贴应变片1 2 片，分两层粘贴，每层粘贴6 个。一层贴于距 下部支座l o c m 处，另外一层贴于距f 部支座2 0 c m 处，两层应变片的粘贴位置相同，即在荷载方向和垂直 荷载的方向上粘贴四个环向应变片，在荷载方向上相对粘贴两个纵向应变片。应变片粘贴位置如图2 2 所示。 加载方向 一- 专 俯视图 主视图 图2 2 应变片粘贴位置图 5 浇筑混凝土：浇筑混凝土时，需要设计合理的施工步骤，以满足构件的性能要求。 混凝土的施工按先后顺序分为几个部分，包括下部支座的浇筑、上部支座的浇筑以及柱身的浇筑，其 中，根据构件类型的不同。柱身的浇筑方式又分为普通混凝土浇筑和钢管混凝土浇筑。下面介绍一下混凝 土的施工过程。 ( 1 ) 钢管混凝士构件的浇筑 首先要进行下部支座的浇筑。在底座模板内放入支座钢筋笼并绑扎纵筋，在绑扎纵筋时应当注意四根 钢筋的摆放位置，使两对钢筋的轴线分别与底座的长边和短边平行。 对于钢管混凝土构件，需要先浇筑底部十公分高度的混凝土，这样可将纵筋固定；待其初凝后，将钢 管套在纵筋上并放入底座内；之后浇筑底座剩余部分的混凝土。这样施工可以在浇筑柱内混凝土时模拟出 实际施工情况。 在立好钢管并矫正其垂直度之后，可以在钢管顶部预定位置处焊接胡子筋并架设上部支座的模板，如 图2 3 所示。然后对上部支座进行浇导。在支座混凝土养护三四天之后才能对柱身进行浇筑。 图2 3 胡子筋及上部支座模板 在浇筑柱身时，为了模拟成桩工艺，采用了类似实际工程的施工方法。实际工程中的钻孔灌注桩一般 采用导管法浇筑，因此，此次试验中也采用相同的方法。浇筑前，先准备若干根长3 m 、内径1 8 0 m m 的p v c 管，并制作了一个容积为0 0 4 m 3 集料漏斗，漏斗下端外径略小于1 8 0 m m ，使其可以放入p v c 管内，同时加 工了一个漏斗塞，使其可以盖在漏斗底部。 钢管混凝土构件又可分为两种情况，一种是没有泥皮的构件，一种是有泥皮的构件。对于没有泥皮的 构件，可直接将混凝土从钢管顶部倒入，倒入的混凝土不进行振捣，只是轻敲管壁使其均匀。 对于有泥皮的构件h 1 ，浇筑过程稍微复杂： 首先，采用陶土粉配置泥浆，泥浆比重控制在1 1 6 , - - - 1 1 7 ，并将配置好的泥浆灌满钢管； 5 东南大￥顿 位论i 其次，将准备好的p y c 管插入钢管使p v c 管f 部距钢管底部有3 0 c n z 5 0 c m 的距离，井将集料漏斗 置于p v c 管上方，使漏斗口能够 进管口，同时用寒子将漏斗口堵件佃阿2 4 圈24 浇毓混凝土之前的准鲁 再次，在集料漏斗内灌满混凝土。并快速拔出塞子，使斗内的混凝士全部倒入钢管内此时泥浆从管 口被压出们同! e 田25 混凝土初浇围田26 拔管囤 昂后，按照与实际工程类似的浇筑方法通过漏斗和p v c 导管往钢管里面倒混凝士并使管内的泥浆随 着混凝土的灌入不断捧出。当随着混凝土的灌入而泥浆不再捧出时，把p v c 管稍微上提见有大量泥浆流 出后接着灌注混凝土，如幽26 按照这种方法边浇筑边拔管，直到将钢管内灌满混凝士为止。其问可 以不时的轻敲钢管壁以使混凝土均匀。 ( 2 ) 普通混凝土构件的浇筑 同样先进行f 部支座的浇筑。在底座模板内放入支座钢筋笼井绑扎纵筋在绑扎纵筋时应当注意四根 钢筋的摆放位置，使两对钢筋的轴线分别与底座的长边和短边平行。 与钢管混凝土构件不同的是，普通混凝土构件不存在埋设铜管以及顼留空洞的问题底部支座可整体 浇筑；同时，将柱的模板虬及上部支座的模板支好，在底座初凝后便可以对柱体以及上部支座进行混凝土 浇导。 ( 3 ) 在浇筑混凝土之前需要注意咀f 几个方面： 第二章试验分析与结果总结 ( d 将混凝土的塌落度控制在1 8 2 0 之间； 应确保钢筋计所连接导线的合理引出； 浇筑下部支座时应将锚固孔预留好。 6 养护混凝土：待钢护筒内的混凝士浇筑完毕后，对其进行标准养护，以使其达到强度要求； 7 预留试块：浇筑砼的同时，预留一到两组混凝土试块，进行强度校核。同时，预留钢筋以及卷制 钢护筒所采用的钢板若干，用来做拉伸试验确定其参数。 2 3 试验方案设计及试验仪器 试验构件分为五种类型，每类称为一组，由两个构件组成。构件情况列于表2 1 。 表2 1 构件分组情况 组号类型代号 数量描述 组1 w2 无钢管构件 组2g2钢管内壁无花纹且无泥皮构件 组3 g n2 钢管内壁无花纹且有泥皮构件 组4g t 2 钢管内壁有花纹且无泥皮构件 组5 g n t2 钢管内壁有花纹且有泥皮构件 2 3 2 试验仪器 为了测量构件的水平承载力，需要用到水平加载设备，水平加载使用m t s 作动器进行加载，图2 7 所示为试验加载装置图。作动器加载最大值为l o o t ，行程为+ _ 2 5 0 m 。 反力墙 作动器 匝氧 u 弋 n1 缀,v ， 图2 7 加载装置示意图 需要测量的数据有钢筋计读数，桩身应变片读数，构件底座的水平位移，钢管的水平变形等。因此， 需要用到的测量仪器有应变分析仪、位移计等。应变分析仪采用东华测试技术开发有限公司的d h 3 8 1 7 动 静态应变测试系统。应变片采用浙江黄岩测试仪器厂生产的电阻应变计，型号是b x l 2 0 4 b b 。整套测试分 析系统如图2 8 。 7 南+ 举柑口十 2 3 3 试验方案 图28 测试分析系统 试验方式采用拟静力往复加载方式“1 ，并以位移量控制加载值。每级荷载设定为5 w 往复两次，将 构件破坏作为加载结求条件。 2 4 试验过程 试验过程包括以下步骤： l 加载装置安装就位：主要是将加载设备一作动器根据构件的高度安装在反力墙的合适高度处，并 将其同定； 2 构件吊装就位：即将试验构件吊运到作动器前，放置在合适位置处； 3 构件的固定以及与作动嚣的连接：这一步是采用地锚将构件的底座同定于地面上并通过两根连 接于反力墙的拉杆以及铸铁块将构件底座顶紧，同时通过拉杆将构件顶部支座和作动器头部相连： 4 应变片的粘贴和接线；在距构件底部支座项面l o c m 以及2 0 c m 的钢管四周粘贴两层托1 2 个应变片 用以测量纵向和环向应变应变片位置如图22 所示，另外，将应变片和应变分析仪d h 3 8 1 7 i j 导线连接 起来： 5 百分表的摆放：在下部支座底部放置一个百分表，用以抵消底座移动带来的位移，另外，构件距 支座顶面2 0 c m 处放置一个百分表用来分析构件的挠度； 6 加载：加载装置为m t s 电液伺服系统，采用加载一卸载一反向加载卸载为一个循环的加载方式 井循环两次并按照位移控制的加载方式咀5 m 的级差进行荷载的递增”1 。加载装置如图27 所示。 7 试验装置图见图29 所示。 ； 畸i * # $ b # 田29 试验装置围 由于时间有限，故本文只从组2 、组3 和组5 中各取一个构件进行试验，其它构件留在以后研究。下 面分别对每组构件的试验过程进行介钎 。 2 4 i 第2 组构件介绍 第2 组构件是钢管内壁无花纹且无泥皮构件( 表21 ) ，这种构件类似于普通钢管混凝土构件本文 中用它来模拟钢护筒和混凝土接触良好的情况。 1 试验过程 该构件加载到顶部水平位移为8 0 m m 时停止加载，停j l 加载时构件底部的钢管出现了鼓胀曲屈变形， 如图21 0 所示说明构件底部钢管已经发生了屈服破坏。加载过程的滞回曲线如图2 1 2 所示，由曲 线反映的试验结果比较理想。将各级正向位移和相应荷载值整理成荷载一位移曲线如图2 1 3 所示，图中 可以看出，在荷载达到3 49 k n 以前荷载一位移曲线基本上是线性增长，当荷载达到3 49 k n 时曲线 出现了拐点，此时的水平位移值为4 0 m m 以后水平位移不断增加，而荷载基本不再增长，出现了塑性流动， 荷载虽值为4 24 k n 当水平伊秘达到r 0 哪时荷载开始出现下降趋势。 图21 0 构件底部钢管鼓胀曲屈 东南大学硕上学位论文 。 磁 ； 爹圹 图2 1 2 滞回曲线 图2 1 3 顶部荷载一位移曲线 2 钢管应变分析 为了方便对测点应变的描述，将各测点进行编号，如图2 1 l ，每个编号对应了上、下两层测点，上 层测点用u 表示，下层测点用d 表示。为了得到测点应变变化的规律，将侧得的应变值用m a t l a b 进行了 曲线拟合。最后，将拟合曲线和实测值绘于一幅图中以便于观察分析，如图2 1 4 和图2 1 5 ，图中u 、 d 代表实测值，u 和d 代表拟合曲线。 图2 1 4 是测点3 的应变一荷载曲线，由于测点l 、2 、3 、4 测量的都是环向应变，所以用测点3 代 表其余三个测点。从图中d 和d 的曲线可以看出，下层测点的应变值较大，且上、下测点的曲线都在3 5 k n 附近出现拐点，在这之前，应变随荷载变化比较平缓，u 、d 的值都在2 0 0 嶂以内，说明环f 句应变量较小； 达到3 5 k n 之后，应变增长斜率变大。 图2 1 5 是测点5 和测点6 的应变一荷载曲线，从图2 1 l 可知测点5 、6 是位于荷载方向上的测点， 它们测量的是钢管变形量最大区域的纵向应变。从图中可以看出，测点5 的廊变值比较大，上、下层的应 变量在3 0 k n 时都已达到1 5 0 0 嶂，这是由于测点5 处于受拉区，而受拉区的混凝土过早退出工作，导致 截面中和轴向受压区偏移；测点6 位于受压侧，其初期应变量较小，在荷载增大到3 8 k n 时才迅速增大到 1 0 0 0 陋。5 、6 两点的竖向应变曲线同样在3 5 k n 附近出现拐点。 图2 1 4 测点3 应变一荷载曲线 图2 1 5 测点5 、6 应变一荷载曲线 3 钢筋计应变分析 再对构件内钢筋计的应变值进行分析。钢筋计各测点编号如图2 1 6 所示。将垂直荷载方向的g l 、 g 2 测点的应交一荷载曲线放在图2 1 7 中一起分析，而将沿荷载方向的g 3 、g 4 测点的应变一荷载曲线放 在图2 1 8 中一起分析。其中g 1 、g 2 、g 3 、“的是m a t l a b 拟合曲线。 1 0 第二章试验分析与结果总结 g 4 g 1 3 g 2 图2 1 6 钢筋计测点位置及编号 从图2 1 7 中可以看出，g 1 、g 2 两点的应变值较小，最大值仅有2 0 0 嶂左右，这是因为这两个测点 位于垂直于荷载施加的方向，它们的纵向应变是由于中和轴偏移而产生的拉伸引起的。 与g 1 、g 2 相比，g 3 、g 4 测点的应变量较大，如图2 1 8 。由于g 3 位于受拉区，所以它的应变更大一 些，在荷载达到4 2 4 k n 时，它的应变量最大，为1 0 4 0 衅。而g 4 点的应变始终在5 5 0 肛以下。这说明 构件中部的应变量比较小，在构件接近破坏时，仅受拉区达到了较大的应力水平。 0 毒 鬈 黼 蝴 蝴 7 翻 黼 含4 03 0 0 黼，鼬 镯 鑫 d 蓐尊 姗 删 _ e 瞰 图2 1 7g 1 、g 2 点应变一荷载曲线图2 1 8g 3 、g 4 点应变一荷载曲线 4 试验破坏现象 在试验过程中观察发现，当顶部水平位移为4 0 r a m 时，构件底部的钢管开始出现明显鼓胀现象，如图2 1 0 ，此时的荷载值为3 4 9 斟。这说明底部钢管已经发生了屈服，因此图2 1 4 和图2 1 5 中的曲线在 3 5k n 附近出现了拐点。 第3 组构件是钢管内壁无花纹且有泥皮构件( 表2 1 ) ，这种构件与第2 组构件的区别在于钢管和混 凝土之间加入了泥皮，这种构件被用来模拟钢护筒和混凝土之间存在泥皮的桩基础。 东南大学硕学位论文 醛 图2 1 9 雇部钢管大范围开裂 l 试验过程 该构件在顶部支座水平位移达到l l o m m 时停止加载，此时构件底部钢管大范围开裂，如图21 9 所示， 且己经不再具有承载能力。其滞回曲线如图22 0 所示可以看出在位移达到l o o n 后荷载下降比较太。 各级正向位移与其相应的荷载曲线如图22 1 ，对荷载一位移曲线进行分析发现，在荷载达到2 54 心4 以 前，荷载和位移为线性关系：当荷载超过2 54 k n 而位移超过3 0 衄以后，髓着水平位移的增加，荷载基 本不再增长，当水平位移达到5 5 咖时，荷载达到最大值，为3 05 5 心4 ；之后荷载开始逐渐减小，但曲线 接近水平当位移超过l 。0 舳虬后，荷载急剧下降在位移达到1 l o m m 时，停止加载。 翻彩嬲 拶 妙 1 o 1 w * & + d 图22 0 精回曲线 2 钢管应变分析 田22 1 】耍部荷戴一位移曲线 同24l 。对钢管上的测点编号，如图2 1 1 图中各符号的意义同241 。各测点的应变一荷载曲 线如图22 2 圈22 7 。 圈22 2 测点1 应变一荷载曲线图22 3 测点2 应变一荷载曲线 麓 一一一一。m一一 ii4 第二章试验分析与结果总结 - v 粼 诺 】i c 早菏曩f ( k d 图2 2 4 测点3 应变一荷载曲线图2 2 5 测点4 应变一荷载曲线 0 毒 餐 圈2 2 6 测点5 应变一荷载曲线图2 2 7 测点6 应变一荷载曲线 从图2 2 2 和图2 2 4 中可以看出，1 、3 点的应变值较小，在曲线拐点之前，l 点的应变不超过4 0 0 ”， 3 点不超过2 0 0 临。当荷载达到3 0 k n 时，曲线出现拐点，应变增长速率变大，说明钢管发生屈服塑流。 由试验过程中的实测数据可以发现，在钢管发生塑流之后，l 、3 测点的环向最大应变并不是发生在水平位 移为极值时而是发生在水平位移为0 时，这是由于在水平位移为0 时，1 、3 点附近的钢管出现较大屈曲， 从而出现较大的应变值。 从图2 2 3 和图2 ，2 5 中可发现2 、4 点的应交值较大。在曲线拐点之前，2 点的应变不超过1 2 0 0 姆， 4 点的应变不超过7 0 0 u 。2 、4 点的应变曲线同样在荷载达到3 0 k n 时出现拐点，与1 、3 点不同的是， 在拐点之后，2 、4 测点的应变极值发生在水平位移为极值时。这是由于当水平位移达极值时，2 、4 点附 近的钢管钢管出现较大拉伸或压缩变形，从而出现较大的应变值。 图2 2 6 和图2 2 7 是5 点和6 点的应变一荷载曲线，测点5 、6 测量的是荷载方向上钢管的纵向应 变量。对于测点5 ，当荷载增大到2 6 k n 时，上、下两测点的应变值已经先后达到1 0 0 0 嵋，下部测点的 应交大一些：之后上部测点的应变保持线性变化，而下部测点的应变开始快速增大说明此时钢管底部测 点5 附近的部分发生屈服，并且很快达到破坏。对于测点6 ，情况与5 相似，在2 9 k n 时应变达到1 0 0 0 雌， 之后应变发生较大改变。从图中看出，当应变曲线出现拐点后，应变值开始向负应变方向发展，这可能是 因为加载过程为往复加载而导致。 另外，1 6 点的上部测点和下部测点在拐点之前的曲线差别不大，而在拐点之后出现较大差距，这是 由于底部的钢管首先屈服，因而底部测点在屈服后应变改变比较大，而上部测点则稍小。 3 钢筋计应变分析 构件中钢筋计编号同图2 1 6 ，g l 、g 2 的应变一荷载曲线如图2 2 8 ，g 3 、g 4 的应变一荷载曲线如 图2 2 9 。 从图2 2 8 可以看出，g 1 、g 2 的应变值都不大，且基本与荷载成线性关系；它们的应变值都是正的， 说明它们发生拉伸变形，这是由组合截面上混凝七的受拉强度低而使中和轴向受压区偏移引起的；它们在 数值上的差别有可能是因为施工因素导致的钢筋位置偏移造成的。 1 3 东南大学学位论文 显的拐点且受拉区钢筋的曲线斜率较受压区大，这也是由中和轴向受压区的偏移造成的；受拉筋的应变 最大达到6 0 0，受压筋的应变虽犬达到3 7 0 l 。 田22 8g 1 、g 2 点应变一荷载曲线 4 试验现象 对试验过程观察发现，在水平位移达到5 5 m 时 图22 9g 3 、g 4 点应变一荷载曲线 钢管底部开始出现鼓胀变形( 图23 0 ) ，这时的荷 图23 0 钢管底部鼓胀变彤 围23 i 钢管初始裂缱 在水平位移第一次加到i o o m 时构件底部受拉区的钢管开始出现开裂，随后随着位移值的加：k 裂 缝迅速扩展圈23 1 所示是钢管h 岍始出现裂缝的图片圈23 2 显示的是裂缝扩展后的情况。在水 平位移第二次加载到1 0 5 m 前底部钢管另外一侧也出现了较大开裂，如图23 3 ，这时，构件的底部完 全破坏这即是罔22 1 曲嚏中荷载存付转达到l n 帅m 斤骧降的厦田 图23 2 钢管裂缝开展 田23 3 另一侧铜管开裂 第二章试验分析j 结果总鲇 243 第5 组构件介绍 具有麓；! ? ；鬈鼻嚣喜凳：嚣鹜瘩鬻慧嚣毒2 毫挈构件与第2 组构件的区别在于钢管内壁 具有花纹凸起，可髀会对钢许和澍凝+ 之闻的搪懒性能产堆影响 围23 4 钢管泊焊缱大范围齐噩 l 试验过程 该构件在顶部支座水平位移达到6 5 衄时停j p 加载，此时构件下部钢管在焊缝娃丈范围开裂，如创2 3 4 所示且已经不再具有承载能力。其滞回曲线如图23 5 所示，可以看出荷载和位移正处于线性增长 阶段而当顶部水平位移超过5 5 呻后，荷载突降。各级正向位移与其相应的荷载曲线如图23 6 ，对荷载 一位移曲线进行分析发现，在荷载达到2 77 7 k n 以前，荷载和位移基本为线性关系；当荷载超过2 77 7 k n 而位移超过5 5 m 以后，荷载突降，在位移达到6 0 衄时。荷载已经降为89 8 k n 这时构件已失去承载能 力。在位移达到6 5 啪时停止加栽。 么 驴 缫驴一 m m _ m t 十口* j 叫 田23 5 滞回曲线 围23 6 顶韶荷载一位移曲线 2 试验破坏现象 对试验过程观察发现，当水平位移第二次加载到一2 0 m 时构件下部一侧的钢管焊缝处出现渗水，如 图23 7 ；当水平位移第二次加载到3 5 m 时，构件下部另一侧焊缝处渗水如图23 8 ：当水平位移第 二次加载到一6 0 m 时，钢管下部焊缝在最先渗水处发生开裂，如图23 9 ：当水平位移第一次加载到6 5 m 时，钢管f 部焊缝另一侧发生开裂；随后，铜管整体沿焊缝开裂如图24 0 ，并发出响声；之后停止加 载。 由试验过程可以知道r 荷载一位移曲线在6 0 聊处的突降是由于钢管开裂而引起的。因为钢管没有从 底部而是从焊缝处开裂t 所以荷载一位移曲线没有出现塑性段而是有弹性阶段直接进入破坏可见构件 一一一。一一一 e* 东南大学硕i 学位论文 围23 7 一侧钢管渗水 图23 8 另一侧钢管渗水 围23 9 铜管埠缝处开裂 2 5 试验结果分析 2 51 第2 组构件结果分析 围24 0 钢管沿焊缱整体开裂 通过对第2 组构件的试验可以得出以f 结果。 1 构件的