脫空后鋼管混凝土拱橋的受力性能分析

崔龍龍, 汪 蓮

(合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

脫空后鋼管混凝土拱橋的受力性能分析

崔龍龍, 汪 蓮

(合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

針對鋼管混凝土拱肋普遍存在的核心混凝土脫空問題，以一座啞鈴型鋼管混凝土拱橋為研究背景，利用Midas Civil施工聯合截面功能，建立全橋的有限元模型，分析了拱肋脫空比、截面脫空率、含鋼率等因素對拱橋的受力性能的影響。結果表明：脫空比和脫空率對拱肋的應力和撓度影響較小，含鋼率對脫空后的拱橋的影響較大，施工中應嚴格控制核心混凝土的密實度，防止脫空現象的發生。

脫空；鋼管混凝土拱橋；Midas Civil

0 引 言

大量工程實踐表明,鋼管和混凝土之間經常出現界面分離的現象[1]。界面分離現象可分為兩種：一種是由于施工質量引起的較大程度的脫離,可稱之為脫空，另一種是由于混凝土收縮、溫度變化等非質量原因引起的二者粘結力的喪失,可稱之為脫粘[2]。

在施工過程中因混凝土配合比設計不當、混凝土泵送不到位、注漿口及排氣口設置不當等原因會造成混凝土拱肋脫空[3-4]。

本文采用有限元軟件Midas Civl,研究拱肋出現脫空后,不同脫空率、脫空比、含鋼率對拱肋應力和拱肋撓度的變化。為啞鈴型鋼管混凝土拱橋的設計和施工提供有益的參考。

1 工程概況

圖1 全橋總體布置圖

圖2 啞鈴型鋼管混凝土拱橋

2 脫空計算分析模型

2.1 脫空參數定義

為了在分析中定量描述鋼管和混凝土的徑向脫空程度,引入兩個參數:脫空率ψ,即核心混凝土脫空部分面積與鋼管核心區面積之比[5];拱肋脫空比ρ,即核心混凝土脫空段的水平投影長度與拱肋跨度之比[6]。二者表達式為

(1)

(2)

其中,l'為脫空段水平投影長度,l為拱肋計算跨度,其余符號含義見圖(2)b。根據(1)式,脫空率ψ分別為0、5%、10%、15%時對應的核心混凝土脫空高度分別為0 mm、95 mm、150 mm、200 mm。

2.2 拱肋脫空的假定

(1) 啞鈴型截面通過Midas Civil施工聯合截面功能實現,同一截面上鋼管和混凝土通過共節點實現二者的變形協調,無相對滑移[7]。

(2) 加載過程中截面始終保持平面[8]。

(3) 忽略剪應力和剪應變的影響[9]。

(4) 脫空段沿跨度方向,相對于拱頂對稱布置,且上、下核心混凝土脫空面積相同。

2.3 有限元模型的建立

計算模型共有梁單元734個,桁架單元34個,板單元192個,實體單元2 192個,節點數558個。全橋空間有限元模型如圖3所示。

圖3 橋梁有限元模型

3 有限元分析結果

3.1 脫空率

采用承載能力極限狀態下作用效應組合,荷載工況為恒載+汽車荷載+人群荷載+汽車制動力[10]。當ρ=1,ψ=0、5%、10%、15%時,鋼管軸向應力變化如圖4所示,拱肋撓度變化如圖5所示。

圖4 ρ=1 鋼管節點-應力曲線

由圖4知,脫空率不會改變鋼管軸向應力的變化趨勢,隨著脫空率的增加,鋼管軸向應力基本呈線性增長,均處于彈性工作階段。ρ=1,ψ=5%、10%、15%時,鋼管軸向應力增加約4%、7.5%、12%。這是因為鋼管和混凝土共同承受外荷載,當混凝土剛度降低時,鋼管承受大部分的荷載,造成脫空段鋼管應力增加。由圖5知,脫空率對拱肋撓度影響較小,當ρ=1,ψ=15%時,拱頂撓度增加10%、1/4截面撓度增加8%、拱腳撓度增加4%,變化范圍均在10%以內。

圖5 ρ=1拱肋節點-撓度曲線

3.2 脫空比

荷載工況同上,由于圖幅有限僅示意當ψ=15%,ρ=0、1/2、1時,鋼管軸向應力、拱肋撓度變化,如圖6、圖7所示。

圖6 ψ=15%鋼管節點-應力曲線

圖7 ψ=15%拱肋節點-撓度曲線

由圖6知,隨著脫空比的增加,鋼管軸向應力增加,且集中在脫空區段,對于無脫空區段,鋼管應力變化微小。ρ≤1/2時,鋼管軸向應力增加較快。當ρ=1/2時,拱頂至拱頂兩側1/4范圍內,鋼管應力由52.2 MPa增至61 MPa,增加17%。由圖6知,隨著脫空比增加,拱肋撓度略增,且主要集中于1/4～3/4跨。比較圖6、圖7可知,在線彈性范圍內,核心混凝土脫空對拱肋的撓度影響較小,這是因為,鋼材的彈性模量明顯大于混凝土的彈性模量。因此有必要研究拱肋脫空后,含鋼率對拱肋應力和撓度的影響。

3.3 含鋼率

減小拱肋鋼管厚度ts,使其含鋼率αs由10%(ts=20 mm)降低為5%(ts=10 mm)。荷載工況為恒載+汽車荷載+人群荷載+汽車制動力,當ψ=15%,ρ=1時,鋼管軸向應力變化如圖8所示,拱肋撓度變化如圖9所示。

圖8 ρ=1、ψ=15%鋼管節點-應力曲線

圖9 ρ=1、ψ=15%拱肋節點-撓度曲線

由圖8、圖9知,αs的降低使得鋼管軸向應力、拱肋撓度顯著增加,αs=5%時,鋼管最大應力增加29%,拱肋最大撓度增加31%,可見脫空后的拱肋應力與撓度,對含鋼率的變化更為敏感。這是因為鋼管對拱肋剛度的貢獻較大,降低鋼管所占比例后,核心混凝土脫空對拱肋剛度的不利因素隨之加大。

4 結 論

(1) 隨著脫空率的增加,鋼管軸向應力基本呈線性增長,均處于彈性工作階段,脫空率對拱肋撓度影響較小。

(2) 脫空比增加,鋼管應力也隨之增加,且脫空比達1/2之前,增加更快。拱肋撓度略增,集中于1/4～3/4跨。

(3) 拱肋含鋼率越小,拱肋剛度對核心混凝土脫空程度越敏感,拱肋的撓度和應力顯著增加。

[1] 蔡紹懷.現代鋼管混凝土結構[M].北京:人民交通出版社,2003.

[2] 陳寶春,韋建剛,吳慶雄.鋼管混凝土拱橋設計方法與應用[M].北京：中國建筑工業出版社,2014.

[3] 林春姣,鄭皆連,秦 榮.鋼管混凝土拱肋混凝土脫空研究綜述[J].中外公路,2004,24(6):54～58.

[4] 忻嘉昆.鋼管混凝土拱肋脫空分類及原因分析[J].中國科技信息,2009,23(12):81～82.

[5] GB 50923-2013,鋼管混凝土拱橋技術規范[S].

[6] 云 迪,鄭皓文,周 賀.脫空對鋼管混凝土單圓管拱肋面內承載力的影響[J].建筑結構學報, 2015,36(19) :120～125.

[7] 葛俊穎.橋梁工程軟件Midas civil使用指南[M]. 北京:人民交通出版社,2013.

[8] 陳寶春.鋼管混凝土拱橋設計與施工[M]. 北京:人民交通出版社,1999.

[9] 謝肖禮,趙國藩，鄒存俊.鋼管混凝土拱橋肋拱面內極限承載力全過程計算機模擬[J].土木工程學報.2004, 37(5):54～58.

[10] 葉見曙.結構設計原理[M].北京：人民交通出版社,2005.

2016-10-26；修改日期：2016-10-28

2015年安徽省質量工程——教學研究項目：“面向創新創業教育改革的土木工程專業卓越人才培養模式研究與實踐”(省級一般)項目編號(2015年jyxm020)

崔龍龍(1988-)，男，安徽宿州人，合肥工業大學碩士生．

U448.22

A

1673-5781(2016)05-0696-03