基于试验的钢衬钢筋混凝土管道裂缝宽度研究

吴海林,崔福冰,冉红洲,吴 龙

(三峡大学水利与环境学院,湖北宜昌443002)

基于试验的钢衬钢筋混凝土管道裂缝宽度研究

吴海林,崔福冰,冉红洲,吴 龙

(三峡大学水利与环境学院,湖北宜昌443002)

基于水电站管道外围混凝土的承载特性,设计了配筋混凝土试件轴向拉伸试验,对混凝土裂缝进行研究。对国内几种现行规范中配筋混凝土受拉构件的最大裂缝宽度公式进行比较,分析各公式的特点,并在此基础上,针对水电站钢衬钢筋混凝土管道,提出了混凝土最大裂缝宽度计算公式的改进建议。

钢衬钢筋混凝土管道；钢筋混凝土；轴向拉伸试验；裂缝宽度

0 引 言

目前,钢衬钢筋混凝土管道结构形式在国内外的水电站工程实践中被广泛应用[1- 4]。钢衬钢筋混凝土管道通过钢衬与外围钢筋混凝土联合承载[5,6],运行中允许管道外围混凝土开裂,从而可以充分利用钢材的承载性能。但为了保证其耐久性和结构安全,必须要控制裂缝开展的宽度[7,8]。目前,一些已建的水电站工程的管道在运行中出现了外围混凝土裂缝宽度超过规范限定值0.3 mm的情况[9],少数工程甚至达到规范限定的2～7倍[10]。调研发现,在水电站工程中采用国内现行规范的最大裂缝宽度公式计算得出的裂缝宽度值与实测结果偏差较大。笔者认为最大裂缝宽度计算值与实测值之间产生明显差异的原因可能是选用的裂缝宽度计算公式是基于梁、板试件在承受简单轴向力的条件下的试验成果,适用于房屋和一般构筑物的钢筋混凝土结构,而水电站压力管道结构的受力状态更复杂且钢筋的应力水平往往较高,现有裂缝宽度计算公式对于钢衬钢筋混凝土管道结构的适用性值得探讨。本文基于配筋混凝土试件轴向拉伸试验的结果,对不同规范中最大裂缝宽度公式进行对比分析,并针对水电站钢衬钢筋混凝土压力管道结构的最大裂缝宽度计算公式提出了改进建议。

1 配筋混凝土裂缝宽度公式比较分析

目前,我国各个规范中针对裂缝宽度的计算公式的形式和参数不尽相同,采用不同规范的公式对同一工程结构进行计算,所得结果也存在较大差异[11]。本文选用几种我国现行规范[9,12-14]中的钢筋混凝土受拉构件最大裂缝宽度公式进行比较,分析可知,各公式主要出于两个模式,即数理统计模式和半经验半理论模式。

对于半经验半理论模式的公式,会因依据裂缝生成机理的差异而有区别。这类公式主要来源于粘结-滑移和无滑移这两种理论[15]。许多学者分别基于这两种理论通过试验进行了研究,将这两种方法有效地结合,公式中不仅引入体现粘结-滑移的(d/ρte)项[16],同时考虑保护层的厚度对裂缝宽度的影响,给出裂缝平均间距通用公式,即

(1)

式中,lm为裂缝平均间距,mm；c为保护层厚度,mm；k1和k2为系数；d为受拉区纵向钢筋的直径,mm；ρte为纵向受拉钢筋的有效配筋率。

这种形式被规范GB 50010—2010、DL/T 5057—2009和SL 191—2008中的最大裂缝宽度公式所采用,因依据各自的试验数据不同,式中参数k1和k2也不尽相同。

规范 DL/T 5057—2009、GB 50010—2010中最大裂缝宽度公式还引入钢筋应变不均匀系数

(2)

式中,ψ为裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数；α为系数；ft为混凝土轴心抗拉强度标准值, N/mm2；σs为按荷载标准值永久组合计算的钢筋混凝土构件纵向受拉普通钢筋应力, N/mm2。但是很难精确计算ψ,故目前仍然使用半经验半理论的方法确定ψ。

数理统计模式的裂缝宽度计算公式来源于大量试验数据及原型观测数据,基于几个重要因子,利用数理统计的方法构建公式[17],规范JTJ 267—1998中的裂缝宽度计算公式即为此模式。

2 配筋混凝土轴向拉伸试验的数据分析

考虑以往实际工程中管道的钢筋直径和环向钢筋配筋率[18]并参考规范[19],笔者设计了配筋混凝土轴向拉伸试验的试件(见图1)、装置与试验方法[20]。试验选用电子万能试验机通过位移加载方式对试件进行加载。为了使试件在量测范围内开裂,在试件中部两侧各设置5 mm诱导缝。试验中在诱导缝周围对称布置应变片,并在诱导缝处的钢筋内布置应变片测取钢筋应变。试验每组制备6个试件,其中2个备用,基于试件尺寸考虑到多数工程中管道的环向钢筋配筋率的大小,选取钢筋的配筋率分别为0.74%、1.12%和1.58%,对应的试件编号分别为P-1、P-2和P-3。试验中试件选用材料和配合比见表1,并通过28 d龄期的标准立方块验证了试件均满足C25混凝土的强度要求,试验结果见表2。

图1 试 件

表1 试件材料

表2 标准立方块试件试验结果

根据试验测量的钢筋应变数据,计算得到钢筋应力,并利用各规范[9,12-14]中最大裂缝宽度计算公式计算试件的裂缝宽度,得到P-1、P-2、P-3试件裂缝宽度-钢筋应力(ω-σ)曲线,将裂缝宽度计算曲线与实测曲线对比。由于试验周期较短,本文仅考虑轴心受拉构件裂缝宽度的短期扩大效应,各规范公式不考虑长期荷载的影响系数,ω-σ曲线如图2～4所示。

分析可知,规范SL 191—2008、JTJ 267—1998中的最大裂缝宽度公式进行了简化处理,没有考虑钢筋应变不均匀系数ψ(0<ψ<1),而规范GB 50010—2010、DL/T 5057—2009考虑了钢筋应变不均匀系数ψ,其计算裂缝宽度-钢筋应力曲线与实测曲线的线形相似。但是,与采用规范DL/T 5057—2009、SL 191—2008与JTJ 267—1998提供的公式的计算结果相比,采用规范GB 50010—2010中给出的公式计算的结果在整体上与实测值偏差最大,计算值偏不安全,本文选取GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》的最大裂缝宽度公式进行着重研究,该公式为

(3)

图2 ρ=0.74%配筋混凝土试件 ω - σ曲线

图3 ρ=1.12%配筋混凝土试件 ω - σ曲线

图4 ρ=1.58%配筋混凝土试件 ω - σ曲线

式中,Wmax为按荷载的标准组合或准永久组合计算的最大裂缝宽度,此处仅考虑裂缝宽度的短期扩大效应,mm；τs为短期裂缝宽度的扩大系数；αc为反映裂缝间混凝土伸长对裂缝宽度影响的系数；Es为钢筋的弹性模量, N/mm2；cs为最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的距离,mm；deq为受拉区纵向钢筋的等效直径,mm。

3 基于试验结果的裂缝宽度计算公式改进研究

3.1 钢筋的直径及配筋率对裂缝宽度的影响分析

根据上文分析结果,本次试验中裂缝宽度实测结果与采用各规范公式的计算值相差较大,且各规范公式的计算值之间也有较明显的差异。结合本试验,分析式(1)可知,钢筋的直径和试件配筋率对裂缝发展有较明显的影响。三组试件的实测与基于GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》所得的平均裂缝宽度-钢筋应力曲线如图5、6所示。

图5 实测平均 ω - σ曲线

图6 基于规范计算的平均 ω - σ曲线

由图5可知,3组试件裂缝宽度的发展速率基本满足从慢到快依次为ρ=0.74%、ρ=1.12%、ρ=1.58%的试件,对应的试件所配钢筋的直径分别为10、12、14 mm。由图6可见,基于规范[12]计算的平均ω-σ曲线与实测平均曲线显示出相似的规律。在本试验中,裂缝宽度的发展速率与钢筋的直径d和配筋率ρ呈规律性变化,即,裂缝宽度发展速率随配筋率增长而增大,随钢筋的直径增长而增大。

由图7可知,试件试验的实测结果较计算结果大。但计算曲线与试件试验所得的实测曲线有相近之处,即,在前期裂缝开展缓慢,后期增长迅速；达到某一值后,曲线斜率显著增加。

分析可知,3组试件ω-σ的实测曲线显示出了明显的区别,随直径和配筋率呈规律性变化,3组试件的计算ω-σ曲线也显示出相似规律。而钢筋直径和配筋率是本次试验中对3组试件设计的2个变量,可知钢筋直径和配筋率是影响配筋混凝土构件裂缝开展的重要参数。

图7 试件实测与计算平均 ω- σ曲线

3.2 基于试验成果的裂缝宽度计算公式修正研究

综合分析发现,计算与实测ω-σ曲线最大的差异在于斜率不等。分析规范GB 50010—2010中裂缝宽度计算公式可知,裂缝平均间距是影响曲线斜率的重要因素,本文也着重对该部分进行研究。

西北勘测设计研究院通过对李家峡坝后背管的原型进行观测,发现实测最大裂缝宽度值与规范规定的限值0.3 mm差异较大,因此,针对ω-σ关系进行了模型试验研究。发现钢筋应力小于160 MPa时,实测值较基于规范GB 50010—2010的计算值大得多,这与本文研究成果相同；然后,钢筋应力超过这个值并逐步增加,计算结果才逐渐逼近实测数据。虽然坝后背管可以带缝工作,除了缝宽不能大于允许值,钢筋应力也应该在允许值以内(钢材屈服点一半左右),其允许应力与160 MPa相近[10]。换言之,对于钢衬钢筋混凝土压力管道而言,在钢筋应力的允许值范围内,基于规范GB 50010—2010的裂缝宽度的计算值往往较实测值偏小,建议对计算公式进行一定修正,以期该公式能为钢衬钢筋混凝土压力管道的应用提供更准确、更可靠的参考依据。

由上文内容可知,钢筋的直径d和配筋率ρ为影响裂缝开展重要原因。分析式(1),钢筋参数ρ和d对裂缝宽度的计算的影响主要体现在对平均裂缝间距的计算中。裂缝平均间距的一般通用公式见式(1),其中参数k1和k2由试验结果确定[16]。本文基于配筋混凝土试件轴拉试验的结果,对系数k1和k2取值,方法如下：

裂缝平均间距参照式(1)取

(4)

式中，cf取决于构件内力状态的系数,参考规范[12]中的处理方式。设

(5)

图8 试件值

(6)

修正后的裂缝宽度公式与原公式相比,钢筋的混凝土保护层厚度、钢筋的直径及配筋率的影响得以增强。如图9所示,采用修正后的公式计算的ω-σ曲线与实测曲线吻合程度较采用原公式计算的曲线吻合程度高。说明在本试验的背景下对公式的修正具有一定合理性。

图9 试件的实测和修正后的计算平均 ω- σ曲线

4 结 论

本文基于配筋混凝土轴向拉伸试验结果,对比分析了现行规范钢筋混凝土裂缝宽度计算公式,结合实测裂缝生发过程,对《混凝土结构设计规范》中混凝土构件最大裂缝宽度公式加以修正,结果表明：

(1)通过对比分析基于各规范公式的裂缝宽度计算值与实测值,参考规范SL 191—2008和JTJ267—1998计算的ω-σ曲线基本呈线性增加的规律。参考规范GB 50010—2010和DL/T 5057—2009所得的ω-σ曲线所呈现出的规律基本相似：在前期裂缝随钢筋应力发展较慢,但发展到某一点后,裂缝宽度随钢筋应力发展的速度加快；同时,参考这两个规范所得计算值总体上偏不安全。

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(责任编辑 王 琪)

Research on Crack Width of Steel Lined Reinforced Concrete Penstocks Based on Tests

WU Hailin, CUI Fubing, RAN Hongzhou, WU Long

(College of Hydraulic & Environmental Engineering, Three Gorges University, Yichang 443002, Hubei, China)

Based on the fact that the bearing characteristics of surrounding concrete of steel lined reinforced concrete penstock, the uniaxial tension test of reinforced concrete is designed to study concrete crack. Several maximum crack width equations in current specifications are also compared and the characteristics of these equations are analyzed. Based on these results, the improvement suggestion for maximum crack width equation of steel lined reinforced concrete in hydropower station is put forward．

steel lined reinforced concrete penstock; reinforced concrete; uniaxial tension test; crack width

2016- 08- 13

国家自然科学基金项目(51379107)

吴海林(1977—) ,男,湖北枝江人,教授,从事水工结构数值模拟与模型试验研究工作．

TV332.3

A

0559- 9342(2017)03- 0059- 06