结合中交四航局承建的双鱼岛陆岛连接桥项目, 该工程主桥桥塔采用带肋钢壳空心混凝土柱结构, 此种结构形式的桥塔在国内尚属首例。国内外学者对于带肋钢壳混凝土空心结构的理论研究还比较少^[1], 尤其是对钢壳与混凝土之间粘结问题的研究较少, 对钢壳混凝土的力学性能做了大量试验研究, Miyaki Satosh^[2]进行了空心钢管高强混凝土短柱的轴压试验, 并依据大量试验的数据提出了承载力计算公式;Sheathe等^[3]进行了圆形高强空心钢管混凝土短柱轴压试验, 以研究两种影响因素空心率和径厚比的变化对构件承载性能的影响, 并分析了这两种因素的影响作用;Vedaras^[4]进行了空心钢管混凝土短柱的轴压试验探究, 研究了构件受力形式和计算方法, 并建议给出了适用计算公式;胡清花等^[5]对当前电力部门采用的多边形截面空心钢管混凝土轴心受压的工作性能和承载力进行了试验研究;王宏伟等^[6]进行了11根圆形和正方形截面的空心钢管混凝土轴心受压长柱试验, 研究了空心率、长细比和截面形式对空心钢管混凝土长柱承载力性能的影响。目前, 国内外学者对空心钢壳混凝土在轴压试验方面做了大量研究, 但对偏压试验研究较少, 尤其是带肋空心钢壳混凝土的偏压试验更少, 为此, 本文通过对带肋的空心钢壳混凝土的偏压试验进行力学性能分析, 并以加劲肋布置疏密程度为变量, 详细分析钢壳与混凝土的粘结问题。

混凝土采用设计配合比进行模型制作, 即采用掺FOY高性能膨胀剂 (Ⅱ型) 的混凝土。混凝土28d抗压强度由与试件同条件下浇筑成形的150mm×150mm×150mm的立方体和150mm×150mm×300mm的棱柱体试块按GB/T50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》确定, 测得的28d混凝土立方体抗压强度f_cu=46.1MPa。

室内试验采用Q235钢材, 试件钢板厚度分为两种, 钢外壳厚3mm, 加劲肋厚1mm。剪力钉采用ϕ2×12mm圆柱头焊钉。钢材屈服强度寿按GB/T228—2002《金属材料室温拉伸试验方法》的规定方法由拉伸试验获得, 实测钢材屈服强度f_y=230 MPa。

根据主塔尺寸、惯性矩及面积相等原则, 将实际塔柱六边形截面简化为矩形截面, 并按照1∶20进行缩尺, 带肋钢壳混凝土空心柱偏压试验一共有P-1-1, P-1-2, P-1-3, P-2-1, P-2-2, P-2-3 6个试件, 其中前3个试件高度、截面尺寸、空心率均一样, 空心率ψ=0.18;后3个试件高度、截面尺寸、空心率均一样, 空心率ψ=0.29。试件P-1-1和P-2-1未设置纵横向加劲肋, 试件P-1-2和P-2-2设置一排横向加劲肋和两列纵向加劲肋, 试件P-1-3和P-2-3设置1排横向加劲肋和4列纵向加劲肋。试件尺寸如表1所示。表中, B, H分别为试件截面的宽度和高度, b, h分别为试件空心截面的宽度和高度, L为试件长度, ψ为空心率。

在试件中部每个侧面沿纵向和横向各贴一应变片, 同时在与轴平行的柱侧面离柱边四分之一柱宽处各贴一纵向应变片, 每个试件共贴20片应变片。应变片具体布置如图1所示。

在试件的弯曲平面内布置了3个百分表来测量柱子在弯曲平面内沿轴方向的挠曲变形, 3个百分表分别布置在距柱两端四分之一高度处及跨中。在试件下端板左右两侧中心线位置布置2个量程为30mm 的百分表, 以监测试件的竖向总位移。位移测点具体布置如图2所示。

对于带肋钢壳混凝土空心偏压试件, 每个试件共有20个测点来测试试件的应变值。对于受压构件, 纵向应变有一定的规律, 可以反映试件的主要力学性能。本文选取6个受压试件偏压侧中间位置处钢壳表面的纵向应变片的应变结果, 绘制试件的荷载-纵向应变关系曲线, 如图3所示。图中的应变均为压应变, 单位均为με。

从图3可以看出6个试件在加载初期, 均处于弹性变形阶段, 荷载变化较为均匀。随着荷载的增加, 曲线的斜率有变小的趋势, 试件进入弹塑性阶段。达到极限荷载后, 承载力缓慢下降, 应变继续变大。试件P-1-1比试件P-1-2, P-1-3先达到极限荷载, 达到极限荷载后, 承载力下降也较陡, 而试件P-1-2和P-1-3的曲线末端下降较为平缓。同样, 试件P-2-1比试件P-2-2, P-2-3先达到极限荷载, 达到极限荷载后, 承载力下降也较陡, 而试件P-2-2和P-2-3的曲线末端下降较为平缓。这说明在钢壳表面布置加劲肋使得构件的变形能力得到增强, 试件整体的延性得到改善。

对于带肋钢壳混凝土空心偏压试件, 每个试件左右各设4个百分表来测试试件在加载过程中侧向挠度和竖向位移。本文以两个竖向百分表所测位移的平均值, 绘制试件的荷载-纵向位移关系曲线, 如图4所示。

从图4可以看出6个试件在加载初期, 均处于弹性变形阶段, 位移变化较为均匀。随着荷载的增加, 曲线的斜率有变小的趋势, 试件进入弹塑性阶段。达到极限承载力后, 承载力缓慢下降。

图5为P-1-1, P-1-2, P-1-3 3个偏压试件在部分荷载等级作用下, 试件侧向挠度曲线图, 由于试验是保持下端固定, 因此试件最下端的挠度为0。图中横坐标表示试件的横向变形, 纵坐标表示试件高度的相对位置, 0表示试件最下端。

由图5可以看出, 3个试件在受压初期, 挠度曲线沿高度分布较为均匀, 随着荷载增加, 侧向挠度曲线就开始出现变化。试件中间部分均向外凸出, 上部均向内弯曲, 且随着荷载的增大, 向外凸出和向内弯曲的幅度越来越大。试件P-1-1未布置加劲肋, 其侧向挠度最大。试件P-1-2和试件P-1-3都布置了纵横向加劲肋, 侧向挠度变小了很多。由此可见, 加劲肋对防止钢壳发生屈曲, 延缓试件变形, 钢混的粘结作用得到一定增强。

图6为P-2-1, P-2-2, P-2-3 3个偏压试件在部分荷载等级作用下, 试件侧向挠度曲线。

试件P-2-1, P-2-2, P-2-3侧向挠度曲线变化规律与试件P-1-1, P-1-2, P-1-3相似。但是与前面3个试件相比, 挠度变大了, 这说明空心率减小后, 试件整体刚度减小, 使得试件在相同荷载下侧向挠度变大。

由上述6个偏压试件的侧向挠度曲线可以看出, 构件的横向挠曲线近似为半波正弦曲线, 由于下端固定的影响, 试件挠度最大位置均位于中间偏下附近, 因此在施工过程中要对偏压柱的中部进行局部加强, 以防止由于中部变形过大, 而使结构过早屈曲而破坏。

通过6个试件的试验过程分析, 同一空心率的3个试件随着加劲肋数量增多, 极限承载力增大, 上部钢壳与混凝土脱离程度减小, 混凝土压碎量减少, 这充分说明, 通过布置加劲肋可有效提高钢壳与混凝土之间的粘结强度。

1) 对不同加劲肋数量偏压试件的荷载-应变曲线进行对比分析, 研究发现未布置加劲肋试件的极限荷载要低于布置加劲肋的试件, 且荷载-应变曲线的下降段较陡, 而布置加劲肋试件的曲线下降段则较为平缓, 这说明在钢壳表面布置加劲肋提高了构件的变形能力, 使试件整体的延性得到改善。

2) 对不同加劲肋数量偏压试件的荷载-位移曲线进行对比分析, 结果表明, 未布置加劲肋试件的荷载-位移曲线比布置加劲肋试件曲线的斜率略小, 曲线下降段略陡, 但这种差别并不十分明显。

3) 研究了加劲肋数量和空心率对试件挠度曲线的影响。研究发现随着加劲肋数量的增加, 试件的刚度和稳定承载力逐步得到改善;对比不同空心率对试件挠度曲线的影响, 研究表明试件的挠度随着空心率的提高而增大, 这说明空心率降低了试件整体刚度, 使得相同荷载作用下试件的侧向挠度有所增大。

4) 对偏压试件的破坏的形态进行分析总结, 研究发现试件破坏时均呈现为侧向弯曲破坏, 受偏压一侧的上部钢壳与混凝土之间发生脱离, 混凝土随之被压碎, 丧失承载力, 且未布置加劲肋的试件破坏现象最为显著。