帶肋方鋼管混凝土橋墩的經濟效果分析

李維徽,張安哥

(1.華東交通大學 土木建筑學院,江西 南昌 330013;2.江西省交通設計院,江西 南昌 330002)

目前鋼管混凝土在橋墩中的應用以圓鋼管混凝土為主,方鋼管混凝土的應用少見報道。方鋼管混凝土與圓鋼管混凝土相比,具有抗彎剛度大、節點形式簡單、制作施工和采用防火措施方便等優勢[1],但由于方鋼管混凝土對其核心混凝土的約束作用主要集中在混凝土截面的角部和核心部位,而混凝土截面邊長中部的約束作用比較弱,因此在荷載的作用下鋼管管壁較易產生向外的局部屈曲,尤其是應用在橋墩中的方鋼管混凝土,其截面尺寸和施加荷載都比較大,要考慮較大的鋼管寬厚比(B/t)對其承載力的影響。以往的研究結果表明[2-8]:設置縱向加勁肋能有效改善鋼管管壁的穩定性,增強鋼管對核心混凝土的約束作用,從而提高此類構件的極限承載力,如圖1(c)所示,圖中hs和ts分別為加勁肋高度和厚度。

圖1 鋼管混凝土截面類型

本文擬以廈門—成都國家高速公路江西瑞金至贛州段的K86+675于都九龍山高架橋墩為例,對鋼筋混凝土、方鋼管混凝土和帶肋方鋼管混凝土3種墩柱的工程造價進行計算比較,在此基礎上對帶肋方鋼管混凝土的經濟效果進行分析,以期為相關工程實踐提供參考。

1 設計方法

1.1 軸壓承載力

帶肋方鋼管混凝土軸壓承載力Nu的計算公式[3]為

其中:Asc為鋼管和混凝土二者的截面面積之和;fsc為方鋼管混凝土的組合軸壓強度設計值;ξ0為約束效應系數設計值(ξ0=Asf/Acfc),As為鋼管的橫截面面積,f為鋼管的強度設計值,Ac為混凝土的橫截面面積,fc為混凝土的軸心抗壓強度設計值;Ast為加勁肋的橫截面面積;fst為加勁肋的強度設計值;ψ1、ψ2分別為與B/t、hs/ts相關的承載力影響系數。

其中:B/t為方鋼管寬厚比;hs/ts為加勁肋的高厚比,(B/t)0為方鋼管合理寬厚比限值[9]。

其中:fy為鋼材的屈服強度。

1.2 抗彎承載力

考慮縱向加勁肋的影響,對江西省工程建設標準《鋼管混凝土結構技術規程》[9]中的方鋼管混凝土抗彎承載力進行適當修正,提出帶肋方鋼管混凝土抗彎承載力Mu的計算公式為

其中:Wscm為方鋼管混凝土的截面抗彎模量,Wscm=B3/6;fsc為方鋼管混凝土的組合軸壓強度設計值,按式(2)計算,Wst為加勁肋繞方鋼管混凝土截面中和軸的抗彎模量;fst為加勁肋的強度設計值;γm為抗彎承載力計算系數,γst為與加勁肋高厚比 hs/ts相關的承載力影響系數,γm、γst的計算公式如下

其中:ξ為約束效應系數標準值,ξ=Asfy/Acfck,As為鋼管的橫截面面積,fy為鋼管的屈服強度,Ac為混凝土的橫截面面積,fck為混凝土的軸心抗壓強度標準值,hs/ts為加勁肋的高厚比。

1.3 壓彎承載力

基于江西省工程建設標準《鋼管混凝土結構技術規程》[9]中的計算公式,得到帶肋方鋼管混凝土壓彎構件的軸力(N)與彎矩(M)相關方程如下

其中:Nu、Mu分別為由式(1)和(5)確定的軸壓承載力和抗彎承載力;其余參數的確定方法見江西省工程建設標準《鋼管混凝土結構技術規程》[9]中的相關規定;該計算公式得到了試驗和有限元分析結果的驗證,具有較好的計算精度。

2 設計方案

廈門—成都國家高速公路江西瑞金至贛州段的K86+675于都九龍山高架橋是一座采用雙柱式橋墩的雙線公路橋,該橋上部結構形式為5跨30 m的先簡支后連續鋼筋混凝土預應力T梁,下部橋墩采用柱式橋墩,樁基采用鉆孔灌注樁基礎,橋型布置如圖2所示。

現以3號橋墩墩柱為例,如圖3所示,墩柱的設計荷載為:彎矩 M′=3 490.0 kN?m,軸向壓力 N′=7 496.0 kN。以下分別采用鋼筋混凝土、方鋼管混凝土和帶肋方鋼管混凝土柱3種方案對③號橋墩墩柱進行設計,為了便于比較,設計的原則是盡量保證三種方案中墩柱的實際承載能力相接近,表1中列出了3種墩柱的承載力。

圖2 橋型布置圖(單位:cm)

圖3 ③號橋墩結構示意圖

表1 三種方案的承載力比較

方案一:設計為鋼筋混凝土。墩柱直徑D=1.6 m;鋼筋采用HRB335,強度設計值f=300MPa;混凝土采用C30,混凝土強度設計值fc=14.3 MPa。材料用量情況見表2。

方案二:設計為方鋼管混凝土。墩柱截面邊長B=1.0 m,方鋼管壁厚t=20 mm;鋼材采用Q345,鋼材屈服強度fy=345 MPa,鋼材強度設計值f=310 MPa;混凝土采用C40,混凝土強度設計值 fc=19.1 MPa。采用噴涂防火涂料的防火措施,防火保護層厚度取12 mm(耐火極限2 h)。材料用量情況見表2。

方案三:設計為帶肋方鋼管混凝土。墩柱截面邊長B=1.1 m,方鋼管壁厚t=8 mm;鋼材采用Q345,鋼材屈服強度 fy=345 MPa,鋼材強度設計值 f=310 MPa;混凝土采用C40,混凝土強度設計值 fc=19.1 MPa;采用噴涂防火涂料的防火措施,防火保護層厚度取12 mm(耐火極限2 h);方鋼管的寬厚比不滿足規范規定的寬厚比限值要求[9],因此在每個管壁內側等距設置兩條縱向加勁肋,加勁肋的高度 hs=160 mm,加勁肋的厚度與鋼管管壁的厚度相同ts=8 mm。材料用量情況見表2。

表2 三種方案的材料用量表

3 經濟效果分析

根據江西省工程消耗量定額及統一基價表和近期市場行情,確定出各材料的平均綜合單價(包括材料、人工、機械等相關費用),見表3。表4列出了鋼筋混凝土、方鋼管混凝土和帶肋方鋼管混凝土柱的工程造價比較情況。

表3 材料的平均綜合單價

表4 三種方案的經濟效果比較

由表4可見,帶肋方鋼管混凝土柱與方鋼管混凝土柱相比,雖然增加了部分的混凝土和防火涂料的費用,但卻節省了約42%的鋼材用量,因此降低了35%的工程造價,經濟效果顯著。

而帶肋方鋼管混凝土橋墩與鋼筋混凝土橋墩相比,帶肋方鋼管混凝土橋墩的混凝土費用減少了約48%,但鋼材費用卻提高了近113%,且防火涂料費用也略比模板用費高,所以導致帶肋方鋼管混凝土橋墩的工程造價比鋼筋混凝土橋墩高出近47%。

然而在實際工程中,對于鋼筋混凝土橋墩的建造,一方面鋼筋需要加工制作,并通過綁扎或焊接形成鋼筋骨架;另一方面混凝土澆筑需要搭建腳手架、制作安裝模板;這樣會延長工期,增加相關的勞動力成本,進而提高工程造價。而對于帶肋方鋼管混凝土柱來說,鋼管的制作比鋼筋骨架的制作安裝簡單,鋼管本身既是縱筋又是箍筋,這樣便省去了鋼筋骨架及模板的制作安裝;且鋼管本身在施工階段可作為主要承重骨架,這樣又省去了大量的腳手架;上述這些方面都對施工作業大為有力,改善了工作條件,減少了現場露天工作,大大縮短了工期,由表4可見,施工工期縮短了一半以上,從而降低了相當一部分的施工費用[1]。

綜上所述,在實際工程應用中,帶肋方鋼管混凝土比鋼筋混凝土柱略占優勢,尤其是在有大量墩柱的橋梁工程中,帶肋方鋼管混凝土施工方便和縮短工期的優勢更為明顯;同時帶肋方鋼管混凝土橋墩結構輕巧美觀,墩柱截面較小,橋下通視情況好,并能保證墩身具有較大的強度和剛度,因而特別適合在橋寬較大的城市橋和立交橋中應用。

4 結論

由本文的分析可得到如下結論:

(1)帶肋方鋼管混凝土柱與方鋼管混凝土柱相比,節省了約42%左右的鋼材費用,降低了35%的工程造價,經濟效果顯著;

(2)帶肋方鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土柱相比,混凝土費用減少了48%,鋼材費用提高了113%,從而工程造價高出了近47%;

(3)帶肋方鋼管混凝土柱具有施工方便和縮短工期的特點,施工工期縮短了一半以上,因而在實際工程應用中,帶肋方鋼管混凝土具有明顯的施工優勢。

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