钢管混凝土拱肋设计若干问题研究

第４期（总第１　２２期）　２００６年８月　中国布政互程　ＣＨＩＮＡ　ＭＵＮＩＣＩＰＡＬ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　Ｎｏ．４　ｆＳｅｒｉａＩ　Ｎｏ．１２２）　Ａｕｇ　２００６　钢管混凝土拱肋设计若干问题研究　郭卓明，左　瀵，黄锦源　（上海市城市建设设计研究院，上海２０００１１）　摘要：通过推导钢管混凝土结构构件在极限状态和ｎ三常使用状态下钢管与核心混凝土之间的本构关系，明确了两种材　料之间的应力应变关系。同时，对收缩徐变的应力重分布影响、钢管混凝土结构的平截面假定探讨等方面进行ｒ分析，　提出对钢管混凝土拱肋这类压弯构件应适当增设剪力键，以保证构件的整体受力性能。　关键词：钢管混凝土：拱肋：徐变；平截面假定　中图分类号：Ｕ４４８．２２２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００４—４６５５（２００６）０４—００２７—０２　对于钢管混凝土系杆拱桥，尽管目前我国已建　出）；０－　为环向应力；ｔ为钢管厚度；以为钢管外　成的此类桥梁无论是跨径还是数量都已是名副其实　的世界第一，并且随着计算手段的不断更新，理论　上力学问题基本可以得到有效解决，但在实际工程　中，无论是设计还是施工却依然存在不少问题。许　多专家学者对这种桥梁结构形式做过不少的研究和　径，４为钢管内径。　由于混凝土受力在截面内对称，因此截面内两向　的应力均为０－。。设核心混凝土与钢板弹性模量为　、Ｂ，核心混凝土与钢板泊松比为　、　，混凝　土轴向、环向应变为８　。、８　。根据广义虎克定理　可得：　分析ｆ１．２１，使我们现在对有关系杆拱桥的设计研究等　各方面都有了一个比较良好的基础。笔者在几个钢　管混凝土拱桥工程实践的基础上，对钢管混凝土拱　肋的内力特征以及几个主要问题进行了分析与探讨。　１钢管混凝土结构构件的本构关系　１．１正常使用状态平衡关系　晋…　８呓　百Ｏ＇－１２（１一　ｃ）一　ｃ晋　对于钢管，由于钢管壁厚较薄，可假设环向应力　对于正常使用状态，由于钢材与混凝土均处于弹　沿壁厚方向均匀分布，同时因径向应力极小而予以　忽略，按平面应力状态分析。设钢管轴向、环向应　变为８　８啦，根据广义虎克定理也可得到：　性阶段，其受力状态有所区别。钢管与混凝土受力　示意图见图１。　尝…警　铀＝鲁一　ｓ詈　再根据两种材料的变形协调，有：　ａ）截面图　ｈ）钢管受力　ｒ）混凝土堂力　…　（５）　（６）　８　ｃｌ＝８　ｓｌ　８　：８　，　图１　钢管与混凝土受力示意图　根据内力平衡，有：　Ⅳ＝Ａｃ　０－ｃｌ＋Ａｓ　０－ｓｌ　（１）　将式（１）～式（６）联立解方程，可解得钢管与核心　混凝土之间压应力为：　Ｃ２　－Ｓ０２　ｔ　２－　１－１２　（２）　式中：Ⅳ为外荷载；Ａ　、Ａ　分别为钢管和核心混凝　ｃ　＋　，×　一　×ｃ甓＋等，　土横截面面积；０－　。为钢管纵向应力（垂直于图１的　平面，图１中未示出）；０－寝为环向应力；０－　为混　凝土的纵向应力（垂直于图１的平面，图１中未示　ｃ　＋　，ｃ鑫＋　（７）得：　一　，ｃ镤＋　，　（７）　将两个名义系数ｍ：Ｅ／　；１＂１＝Ａ　／Ａ　代入式　收稿日期：２００６—０５－１１　２７　维普资讯 http://www.cqvip.com

中国布政Ｚ程　郭卓明，左ｆ勇，黄锦源：钢管混凝土拱肋设计若干问题研究　１２００６＠第４期　——１———　（８）　（埘＋　缶一ｍ＋ｍ　ｒ）　ｍ　ｃ　一坐丢　ｘ门　ｍ　）　从式（８）可看出，钢管与核心混凝土之间的压应力与　两种材料之间的弹性模量比、与两种材料的泊松比　差值成一定的正比关系。　对于圆钢管混凝土构件，一般钢管壁厚ｔ相对于　构件直径ｄ来说很小，所以以一　，因此有：　：　丝　：鱼　（９）　Ａ。　叮『ｄｃ　ｔ　４　再考虑ｍ＝Ｅｓ　ＩＥ，　＝　＝６，代人式（８）后，　可得：　ｆ，娌＝　４８（　（　一　ｓ）Ｎ／Ａ　（１＿　ｌ２（１　（　＋２８８（２／３，ｃ２＋／３，（：　经过ＡＮＳＹＳ有限元分析，上述公式与有限元分　析结果具有较好的吻合性。　１．２承载能力极限状态平衡关系　上述是针对正常使用状态的平衡结果，对于承载　能力状态，同样根据内力平衡方程，加上两种材料　的屈服条件方程，以及压杆稳定极值条件方程，可　解得钢管混凝土轴压短柱的极限承载能力为　：　ｌ＝Ａ（：　：（１＋ｏ【　）　（１　１）　ｄ：、／　≯（｝）　＋　、／｝＋古｝（１２）　上述两式中：西为钢管混凝土套箍系数（西：　Ａｃ　１ｃ　）；＿４　、＿４　分别为钢管和核心混凝土面积；　、　￡分别为钢材和混凝土受压强度；ｐ　为核心混凝土与　钢管之间压应力。　这就是钢管混凝土受压构件在一定屈服条件基础　上的理论解。根据不同假设条件得出的理论解形式　上有所区别，但最终结果基本类似。　２徐变的影响　对于钢管混凝土来说，徐变所引起的效应要增加　一个约束条件，从而变得更为复杂。这一点从各围　规范的不同规定就可以发觉，对于钢管混凝土的徐　变特征没有统一的结论　。　德国规范采用一个大于１的系数来考虑徐变的影　响。日本规范采用降低容许应力的方法来考虑徐变　的影响：混凝土的容许应力取为短期荷载容许应力　的Ｏ．５倍；钢材的容许应力取短期容许应力的ｌ／１．５。　２８　由于目前我国尚无钢管混凝土拱桥设计规范，一　般混凝土收缩徐变的考虑方法都与钢筋混凝土拱桥　计算方法相同，但从实际工程实践来看，所得结果　与实测相差较大，主要原因应该是没有考虑混凝土　周围隔离及受钢管约束的徐变收缩特性。　收缩、徐变对钢管混凝土组合截面构件的应力应　变状态影响极大。由于混凝土收缩、徐变使得混凝　土与钢管之间可能产生空隙，这不仅破坏了混凝土　与钢管的协同工作，而且使钢管应力显著增大，在　与外荷载作用下的应力叠加后，将显著恶化结构构　件的工作状态。　采用一个简单的简化模型来分析，如图２所示，　假设构件初始应变平面为Ａ，名义徐变应变平面为　Ｂ，两者之间距离名义徐变应变：△６＝西　’　式中：西　为徐变系数，　’为混凝土初始应力。　Ｖ　Ｉ　．　Ｉ　＼＼　、Ａ　的　１　『　０　，ｃ：　．　＼　ｌ　ｊＩｌ　　ｌ、、Ｂ　＾　图２变形协调关系　由于钢管在纵向的约束作用，使得徐变后实际平　面位置为ｃ，因此，钢管与核心混凝土之间的应力应　变存在如下关系：　６　ｓ　Ａｓ：６　ｃ　Ａｃ　（１３）　孚ＥＳ　＋粤ＥＣ　：△６　（１４）　式中：△６为核心混凝土的名义初始徐变应变量；　６　、６　分别为钢材与混凝土的实际应变；＿４　、　为钢管与核心混凝土的截面面积；　、　为钢材与　混凝土的应力；Ｂ、Ｒ为钢材与混凝土的弹性模量。　因此钢管的徐变应力重分布后的增量为：　ｌｉＥｓ　＋Ａｓ　／（Ｅｃ～Ａｃ）＝可　ｔ　ｉ￣ｒ　Ｃ　Ｉ（１５）　代人数值后可计算出，其应力增加幅度极为可　观，而且随着核心混凝土与钢管横截面面积比值的　增大而增大，所以应引起足够重视。　（下转第３７页）　维普资讯 http://www.cqvip.com

中固布跋互程　傅吉兴，党伟：斜拉桥调索及其索力测试　２００６年第４期　本次静载试验属旧桥的承载能力鉴定，采用基本　表３主桥挠度测试值与计算值（工况２）　位置　坐标／ｍ　ｍｍ　荷载加载。根据静力试验荷载效率要求及对各控制断　塔西侧　塔根　塔东侧　面的计算分析结果，选用了１２辆相当于汽车～２０级　重车（单辆满载总重３００　ｋＮ）的载重车作加载车辆。　４．２试验结果　一２５　ＯＯ　－７５　—５０　－２５　Ｏ　２５　５０　７５　１ｏｏ　１２５　北侧　Ｏ　３０　４７　３７　１３　２　－４　—１３　—１７　—１２　２　实测值　南侧　３５　５７　３５　１３　－７　—１６　—２０　—１３　试验测试挠度及应变数据见表３、表４（只列出　主要工况２数据），测试数据与计算数据规律基本一　致，只是数值上要小于计算值。　５结论　计算值　差值　Ｏ　６７　７９　５３　１６　Ｏ　一２１　—４１　—４９　－３５　０　Ｏ　－３７　－３２　—１６　－３　２　１７　２８　３２　２３　２　表４主梁、主塔各截面应力测试值与计算值（工况２）　ＭＰａ　Ｓ１　Ｓ２　Ｓ３　斜拉索索力调整前后测试数据表明：施工调索达　测点位置　上缘　腹板　下缘　上缘　腹板　下缘　上缘　腹板　下缘　北侧　４　实测值　南侧　８　－２２　—６８　３　—３１　—８１　－９　１４　３０　到了原设计要求，主梁应力合理，桥面标高最大提　高７～８　ｃｍ。拉索调索过程正常，没有出现裂缝情　况。荷载试验表明控制断面主梁的位移变化均小于计　－２５　—７０　７　—５０　—８５　—８　１１　２７　汁算值　２０　－２６　－７２　２６　—２８　－８２　—１４　１１　３６　算值，说明结构刚度大于计算模型，结构计算是偏　安全的。荷载试验的效率系数达到了设计荷载的０．９　（上接第２８页）　３钢管混凝土构件平截面假定探讨　倍以上，而且整个试验过程并未发现裂缝发展，主　桥结构满足原设计使用要求。　弯功能，在钢管与核心混凝土之间设置一定数量的　剪力键是必要的。　不过一般情况下，钢管混凝土构件总是以承受轴　在压弯情况下，普通的钢管混凝土构件中钢板与　混凝土之间是否能够真正共同作用？在极限状态下，　外包钢板的断面应力分布是图３　ｃ）中钢板应力分布的　哪一种情况？也就是核心混凝土与外包钢板之问是否　向荷载为主，即便有偏心也是小偏心，如果出现大偏　心的情况，那么采用钢管混凝土构件就不甚合理了。　４结语　符合严格的平截面假定。如果是按照冈３　ｃ）之一的　线形分布，那么钢板与混凝土之间在受弯时存在相对　滑移而相互分离，即不能按照正常的钢筋混凝土构件　１）通过推导钢管混凝土结构构件在极限状态和正　常使用状态下钢管与核心混凝土之问的本构关系，　明确了两种材料之间的应力应变关系。　２）针对收缩徐变的应力重分布影响、钢管混凝土　来进行设计验算；如果是按照图３　ｃ）之二的线形分　布，那么与普通钢筋混凝土构件一致，设计验算均比　较简单。　结构的平截面假定探讨等方面进行了分析，认为对　钢管混凝土拱肋这类压弯构件，应该适当增设剪力　④　④　键，以保证构件的整体受力性能。　３）钢管混凝土系杆拱桥由于其较小的主梁建筑高　－一　０　一　±§～　ｊ－　０　＿＿　一耋一　耋　。。　度显著降低了工程总造价，同时其建筑造型也灵活　新颖，因此尤其在中小跨径领域，在各种桥梁方案　的竞争中系杆拱桥优势越来越突出。一方面由于钢　管的约束提高了混凝土的承压能力，另一方面也使　拱桥的施工更加便捷合理。钢管混凝土系杆拱桥的　发展目前可以说方兴未艾，希望本文的探讨对钢管混　凝土拱桥的设计工作有所促进。　参考文献　１金成棣．预应力混凝土拱梁组合桥梁——设计研究与实践［Ｍ］．北京：　人民交通出版社，２００１．　　ＩＪ　．耋　；　Ｑ　三　２一　．２二　ａ）断面ｈ）混凝土应力分布　）钢板应力分布　图３钢管混凝土截面应力分布情况　实际上，由于钢板与混凝土之间的摩擦等因素，外　包钢板的应力状态应是介于图３　）之一与冈３　）之　二两者之间，所以如果要完全达到后者的应力状态，　使钢管混凝土构件完全符合平截面假定，也就是普通　钢筋混凝土结构的受力状态，钢板与核心混凝土之间　应该增强连接。　因此，设计钢管混凝土结构时，当构件需要承受　一２陈宝春．钢管混凝土拱桥设计与施工［Ｍ］．北京：人民交通出版社，１９９９．　３綮绍怀．现代钢管混凝土结构［Ｍ】．北京：人民交通出版社，２００３．　４钟善桐．钢管混凝土结构［Ｍ】．修订版．哈尔滨：黑龙江省科学技术出版　社．１９９４．　定弯矩，往往需要增加一些连接构件，以保证构　件能够共同作用。如果要发挥钢管混凝土构件的受　３７