矩形钢管混凝土构件的界面传力特性研究

2020-02-28林江源

绿色环保建材 2020年2期

林江源

长安大学

1 引言

钢管混凝土实际上是在空钢管中灌入混凝土，是两种材料共同承载的结构。外侧的钢管能够对内部混凝土施加约束力，使核心混凝土处于三向受压状态，延缓内部混凝土裂缝；同时，内部混凝土能够为外部钢管提供支撑作用，增强其稳定性，使其很难发生局部屈曲。这种钢管混凝土结构能够充分发挥材料性能优势，目前已广泛用于桥梁施工和建筑工程中。在实际使用过程中，矩形钢管混凝土加工比较简便，而且易于存放，因此具有广泛的市场前景。目前国内外研究学者高度重视矩形钢管混凝土构件的界面传力特性研究。

2 声发射检测技术

声发射也被称为是应力波发射。在材料受力条件下，其内部出现裂缝或局部变形，材料内部储存的应变能通过弹性波的方式释放即声发射，发射弹性波的位置被称为是声发射源。根据该检测技术原理，应力波能够从声发射源传到相应的材料表面，材料表面布置的声发射源传感器可以进行信息采集，然后，将振动信号转为电信号传递给放大器，将该信号放大，利用数据采集卡和相关软件完成数据信号收集，将所设计的信号进行深入分析，了解材料本身内部的应力情况和损伤情况。

技术的优缺点分析。优点：首先这种被动检测技术，声发射源是物体内部出现的裂纹或变形，无需信号发射源，该技术对于物体损伤具有较强的敏感性，可以探测到外部施力条件下材料内部的损伤情况。其次该技术是一种动态连续过程，可以实实时反应并记录损伤，随时间、形变产生的信息可实现损伤预报和实时监测。缺点：该技术对于外部检测环境要求较高，很容易受到噪声的干扰，因此需要有大量数据和检验经验，确保数据分析处理。该技术能够确定发射源的位置能量，无法确定发射源的性质，需要分析声发射设参数，进一步确定其损伤类别。

3 推出实验

钢管混凝土构件界面粘结力是由三个部分共同构成的，包括水泥与内表面的化学胶结力，混凝土与钢管内表面机械咬合力，混凝土与钢管内表面的摩擦力，这三个部分在加载时就会产生能量发射，产生声发射信号，通过所采集到的信号可将其还原推出实验过程中界面的破坏形式和受力状态。

根据国内外研究，针对钢管混凝土界面粘结强度试验采用的方法为推出实验。该方法是在浇筑过程中能够使其自由端和新混凝土预留推出程度，在加载端核心混凝土处是其能够留出一定空间放置钢筋块，压力机可以通过钢铁块进而加载在核心混凝土，使混凝土与钢管出现滑移，推出钢管。在本次的实验过程中共涉及了三种截面矩形混凝土短柱，分别是没有设置加劲肋钢管混凝土的试件，其次是设置了加劲肋钢管混凝土的试件，最后是设置了开孔加劲肋钢管的混凝土试件。试件是矩形钢管混凝土短柱，设置PBL 型短柱主要是能够防止在加载过程中自由端钢管出现屈服，因此需要在自由端钢管外部增加一层增强钢管。

在具体实验过程中，k 型、L 型钢管混凝土短柱在初期加载过程中能够短时间内快速提高荷载量，并且存在混凝土压碎的声音，这是混凝土与垫块接触面压实造成的，持续进行试件后台加载，此时我们会发现k型钢管混凝土发出清脆响声，并且荷载产生波动，而L 型试件没有声响，但会持续出现混凝土碎裂伤，为混凝土和钢管内表面界面粘结力丧失形成的，部分区域范围内的粘结性消失，此时相比其他区域来说该试件还有粘结率负载波动可以缓慢提高，随着滑移程度增加，负载缓慢增大，最终处于平衡界面粘结力，即达到最大值，此时会丧失机械咬合力和化学粘结力，试件发射出沙哑声音，主要是由于混凝土和钢管内表面界面充满混凝土晶体摩擦导致的，这种凝结力是由摩擦阻力、机械咬合力共同构成的，继续进行加载此时混凝土膨胀，对于外部钢管压力增加，由于摩擦系数和界面摩擦阻力，机械压力成正比关系，因此会进一步增加摩擦阻力，同时增加粘接力，在荷载-滑移曲线上主要表现为曲线较短，下降段后荷载缓慢提高，观察被破坏后的样品，我们发现K样品加载端可以观察到明显的界面分离，而混凝土结构基本完整。而L 型样品界面分离但混凝土存在破碎样品，钢管变形不明显。对于PBL 型的钢管混凝土板柱在初次加载过程中荷载显著上升并且伴随少量声响，在达到峰值时样品自由端加强，钢管位置未加强区域出现一定程度的变形，同时还伴随着密集的破碎，此时钢管出现弯曲，而加劲肋内开孔混凝土未被剪断，通过荷载-滑移曲线可以发现进入下降段之后，该区域鼓曲明显，经观察，破坏后样品混凝土界面和加载端处钢管无明显分离。样品自由端加强，钢管上部未加强区域明显出现外鼓，且存在钢管屈服，粘土钢管滑移不明显。样品界面剪切破坏不彻底，最终会使钢管屈服失去承载力，主要是由于在布置加劲肋开孔时比较密集，导致在钢管修复过程中混凝土柱没有被剪坏。

4 应变结果分析

在使用过程中获取极限或者之前分析各试件的应变分布规律，我们发现所有试件在初期加载过程中其形成的应变较小，呈现线性分布，结合平衡原则及钢管混凝土界面加载端凝结力为0，按照变形协调条件，加载端位置钢管应变值最大。但实验结果不一致，主要是由于存在边际效应。部分施加在加载区域中存在增长问题，在钢管混凝土加载端存在应变崎岖和应力奇异区及加载端的奇异区现象，由于存在这种现象导致在加载端试件应变分布异常，相对其他区域来说存在一定的规律性，所以后台增加自由端，加载端应变能够快速增加，K 型和L 型试件处于极限荷载条件下时，应变会沿着界面高度出现指数分布，而PBL样品50%极限荷载是与K，L 型样品类似的，其应变高于上述两种试件，而80%的极限荷载条件下PBL 样品自由端处产生较大变小应变的无快速增加，该区域范围内钢管完全屈服并且发生破坏。

5 损伤分布情况

声发射的技术是一种钢管混凝土结构内部状态变化的检测手段，其所采集的声发射信息将能够反映样品内部的缺陷形成。根据k型钢管混凝土推出整个过程中声发射参数和荷载的变化图，可以发现在加载初期存在大量撞击数之后会消失，主要是由于加载端混凝土受到挤压形成的；当极限荷载70%撞击数较大，但能量不多；在达到80%的极限荷载的条件下撞击数量会显著降低并稳定上升，撞击数曲线出现拐点处的能量会被释放，能量累积曲线是垂直上升的，在这一过程中会持续85%时荷载结束。通过观察撞击荷载的关系度，我们发现在二毫米的滑移位置处，相对应的后台连接曲线存在拐点位置斜率减小，此时，荷载与极限荷载是十分接近的。我们可以利用声发射参数定位分布规律，通过不同后台过程中声发射参数，在界面长度的分布规律进行分析，可以发现PBL型的样品是外部钢管区不破坏，并不是简单的界面滑移产生破坏。因此需要分析在不同荷载过程中k型，L型试件声发射与界面长度的分布情况，我们可以选取自由端界面零毫米加载，单界面400mm，将界面分为4等分每100mm作为一个区域，进一步存在加载端区域为A，试件中部区域为B，中部2区为C，自由端区域为D，按照荷载阶段分为20%，50%，80%的极限荷载先后在滑移后阶段，不同阶段中声发射源占同荷载过程中的声发射源的比例。

通过实验我们发现，L和K型试件在初期加载过程中声发射位于加载端位置，占荷载阶段的60%，随荷载比例增加而降低，达到极限后载条件下此时加载端区域声发射源占总荷载的40%，极限荷载会显著降低到20%，样品中部区域升发射源占总发射源比例，随后随其增加而增加，且c区域增加速度较快，由加载初期低于10%到达到极限后的条件下高于20%。在整个实验过程中自由端声发射源占总声发射源比率比较稳定，基本处于10%的变化范围内，观察各荷载过程中声发射源与界面长度分布情况，可以判断在极限或者前声发射源是由自由端到加载端呈现指数分布的，随后再增加到极限荷载。声发射源是一种信息分布情况，达到极限后的界面会发生贯穿长度的滑移，此时声发射源呈现抛物线分布，进一步说明粘结力是由初期加载端向界面中间进行发展的，而在界面中极限或者滑移贯穿其中，粘结力线性分布，在界面长度达到极限荷载之后，粘结力主要是摩擦力分布于界面中间位置，通过声发射定位分析可发现声发射源会随加载界面存在加载端向自由端传递的分布规律，而声发射源是材料变形开裂的应力释放处，结合声发射射线定位可以反映，推出试验中界面粘结滑移的实际发展情况，可利用该技术用于钢管混凝土界面的相关研究。