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摘要：本文以琅岐特大桥2号桥为工程背景进行了封底混凝土与钢护筒粘结强度试验研究，根据试验的荷载位移曲线，对封底混凝土与钢护筒之间的相互作用进行数值模拟，并验证了封底混凝土厚度是否能够满足抗浮稳定性要求。结果表明：封底混凝土与钢护筒之间的粘结强度为0.37 MPa，琅岐特大桥2号桥51#-53#墩承台钢套箱的封底混凝土厚度设计在钢套箱抽水阶段和承台混凝土浇筑阶段满足抗浮稳定性要求。
关键词：钢套箱 封底混凝土 粘结力
1 概述
自1976年上海黄浦江大桥首次采用钢套箱围堰进行基础施工以来，钢套箱在我国桥梁深水基础施工中不断推广应用。南京长江三桥、苏通大桥以及杭州湾大桥等特大型桥梁均采用钢套箱围堰技术，我国在钢套箱围堰的设计、施工和科学研究等方面取得了突出的成就。
封底混凝土施工是钢套箱围堰施工的关键，施工荷载由钢护筒与封底混凝土之间的粘结力来承担，从而实现钢套箱在抽水工况下抵抗水浮力以及承担承台浇筑时的冲击力和重力。钢护筒与封底混凝土之间的粘结力由三部分组成：
（1）吸附力：混凝土中的水泥凝胶体附在钢护筒表面形成的化学粘着力。
（2）摩阻力：混凝土收缩时握裹钢护筒产生的阻滑作用力。
（3）咬合力：钢护筒表面构造处理及凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬合力。
目前有关钢管混凝土结构设计规程给出了混凝土和钢管之间的粘结强度设计值，英国规范BS5400（1979）规定：钢管和混凝土之间粘结强度设计值为0.4MPa；日本规范AIJ（1997）规定：圆钢管混凝土粘结强度值为0.225 MPa，对于方、矩形钢管混凝土，粘结强度设计值为0.15 MPa。我国在进行钢套箱设计计算时，封底混凝土与钢护筒之间的粘结强度取经验值0.15 MPa；孙英学等通过监测苏通大桥2#主墩钢吊箱封底混凝土和钢护筒之间的位移，采用反演法推导出平均极限粘结强度为0.37 MPa；张园根等通过室内试验，测得水下混凝土与钢护筒壁之间的粘结力为0.86 MPa。可见对粘结强度值的规定相差较大，因此，为了保证钢吊箱施工的安全性以及确定封底砼厚度，有必要进行钢护筒与封底混凝土的粘结力实验。
根据琅岐特大桥2号桥工程的施工需要，本文进行了封底混凝土与钢护筒间的粘结力试验，根据试验所得的荷载位移曲线，对封底混凝土与钢护筒之间的相互作用进行数值模拟，并对封底混凝土厚度是否能够满足抗浮稳定性要求进行验证。
2 粘结力试验研究
2.1 试验模型设计
根据实验室的实验设备尺寸，设计试验模型如图1所示。用钢板模拟钢护筒，钢板尺寸为250 mm×350 mm×14 mm，在钢板四周浇筑一定厚度的C20海工混凝土（水下封底混凝土），共制作了6个相同的试验模型，分别编号为S1~S6。
（a）试验模型三视图
（b）A-A剖面图
图1 试验模型尺寸图（单位：cm）
2.2 试验方法及过程
该试验采用压力机对试验模型进行加载，采用千分表测钢板和混凝土的相对位移，试验过程中采集压力机荷载和千分表的实时读数，当千分表读数发生明显变化时，可认为钢板与混凝土之间的粘结力已经全部发挥作用，此时对应的荷载与钢板混凝土接触面积的比值即为粘结力。试验加载及测量示意图及试验装置如图2和图3所示。
试验过程如下：
（1）试验模型模板制作；
（2）水中浇筑封底混凝土，保证其浇筑质量，浇筑完毕后在水中进行养护。
（3）当混凝土强度达到100%后，拆除试件模板，注意减少对钢板的扰动。
（4）采用压力机进行加载，用千分表记录钢板与混凝土的相对位移，即可测出混凝土与钢板的粘结力。
图4 试验过程
2.3 试验现象及结果
在加载初期，千分表读数增长缓慢，试件处于弹性阶段。随着加载的进行，试件混凝土表面首先出现微小的剪切裂缝，之后裂缝突然急剧延伸变宽，千分表读数出现明显变化，钢板被推出外包在其周围的封底混凝土，荷载不再增长，此时认为混凝土与钢板间的粘结力已全部发挥作用，试件破坏模式如图5所示。
图5 试件破坏模式
6个试件施加的最大荷载及粘结力如表1所示，位移荷载曲线如图6所示。试件S1~S6的混凝土与钢板粘结力为0.31 MPa~0.45 MPa，取其平均值为0.37 MPa，即封底混凝土与钢护筒之间的粘结力为0.37 Mpa，大于我国经验取值0.15 MPa。从试验的位移荷载曲线可以看出，在荷载水平较低时，钢板与混凝土之间的相对位移很小，此时机械咬合力和吸附力得到全部发挥；随着荷载逐渐增大，曲线斜率减小，位移增长速度加快，此时主要由摩阻力发挥作用；荷载持续增大到千分表读数发生明显变化，混凝土表面出现裂缝，此时认为混凝土与钢板之间的粘结力已全部发挥。
3 粘结力数值模拟
采用ABAQUS/CAE建立试验模型，钢板与混凝土均采用实体单元模拟，混凝土底部固结，钢板与混凝土接触面的边界采用以上试验得到的荷载位移结果进行模拟，6个试件中，试件S1的试验结果较接近平均值，这里选取试件S1的荷载位移结果来模拟钢板与混凝土接触面的边界条件。将试件S1的荷载位移曲线转换成应力应变曲线如图7所示，即为接触面粘结应力应变本构关系。数值模型如图8所示。
图8 试验数值模型
按位移加载方式对试验数值模型进行加载，得出粘结滑移的基本分布规律如图9所示。结果可以看出，数值计算得到的荷载位移曲线与试验得到的荷载位移曲线吻合较好，因此，在进行钢套箱受力计算分析时，可以采用该接触面粘结应力应变本构关系模拟封底混凝土与钢护筒的接触边界。
图9 荷载位移曲线对比
4 结论
本文进行了琅岐特大桥2号桥钢套箱封底混凝土与钢护筒间粘结力的试验研究，根据试验得到的封底混凝土与钢护筒的粘结力来验证水下封底砼厚度是否能够满足抗浮稳定性要求，得到结论如下：
（1）在荷载水平较低时，钢板与混凝土之间的相对位移很小；随着荷载逐步增大，曲线斜率减小，位移增长加快；荷载继续增大到千分表读数发生明显变化，混凝土表面出现裂缝，且钢板被推出，钢板与混凝土之间的粘结力已全部发挥。试验测得的封底混凝土与钢护筒之间的粘结力为0.37Mpa。
（2）根据试验的荷载位移曲线关系，采用ABAQUS/CAE对封底混凝土与钢护筒之间的相互作用进行数值模拟，结果表明试验得到的封底混凝土与钢护筒之间粘结力的应力应变本构关系可以用于模拟封底混凝土与钢护筒的接触边界。
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论文作者:刘海涛
论文发表刊物:《基层建设》2018年第9期
论文发表时间:2018/5/31
标签：混凝土论文; 封底论文; 荷载论文; 位移论文; 钢板论文; 千分表论文; 围堰论文; 《基层建设》2018年第9期论文;