脱空后钢管混凝土拱桥的受力性能分析

崔龙龙, 汪 莲

(合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009)

脱空后钢管混凝土拱桥的受力性能分析

崔龙龙, 汪 莲

(合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009)

针对钢管混凝土拱肋普遍存在的核心混凝土脱空问题，以一座哑铃型钢管混凝土拱桥为研究背景，利用Midas Civil施工联合截面功能，建立全桥的有限元模型，分析了拱肋脱空比、截面脱空率、含钢率等因素对拱桥的受力性能的影响。结果表明：脱空比和脱空率对拱肋的应力和挠度影响较小，含钢率对脱空后的拱桥的影响较大，施工中应严格控制核心混凝土的密实度，防止脱空现象的发生。

脱空；钢管混凝土拱桥；Midas Civil

0 引 言

大量工程实践表明,钢管和混凝土之间经常出现界面分离的现象[1]。界面分离现象可分为两种：一种是由于施工质量引起的较大程度的脱离,可称之为脱空，另一种是由于混凝土收缩、温度变化等非质量原因引起的二者粘结力的丧失,可称之为脱粘[2]。

在施工过程中因混凝土配合比设计不当、混凝土泵送不到位、注浆口及排气口设置不当等原因会造成混凝土拱肋脱空[3-4]。

本文采用有限元软件Midas Civl,研究拱肋出现脱空后,不同脱空率、脱空比、含钢率对拱肋应力和拱肋挠度的变化。为哑铃型钢管混凝土拱桥的设计和施工提供有益的参考。

1 工程概况

图1 全桥总体布置图

图2 哑铃型钢管混凝土拱桥

2 脱空计算分析模型

2.1 脱空参数定义

为了在分析中定量描述钢管和混凝土的径向脱空程度,引入两个参数:脱空率ψ,即核心混凝土脱空部分面积与钢管核心区面积之比[5];拱肋脱空比ρ,即核心混凝土脱空段的水平投影长度与拱肋跨度之比[6]。二者表达式为

(1)

(2)

其中,l'为脱空段水平投影长度,l为拱肋计算跨度,其余符号含义见图(2)b。根据(1)式,脱空率ψ分别为0、5%、10%、15%时对应的核心混凝土脱空高度分别为0 mm、95 mm、150 mm、200 mm。

2.2 拱肋脱空的假定

(1) 哑铃型截面通过Midas Civil施工联合截面功能实现,同一截面上钢管和混凝土通过共节点实现二者的变形协调,无相对滑移[7]。

(2) 加载过程中截面始终保持平面[8]。

(3) 忽略剪应力和剪应变的影响[9]。

(4) 脱空段沿跨度方向,相对于拱顶对称布置,且上、下核心混凝土脱空面积相同。

2.3 有限元模型的建立

计算模型共有梁单元734个,桁架单元34个,板单元192个,实体单元2 192个,节点数558个。全桥空间有限元模型如图3所示。

图3 桥梁有限元模型

3 有限元分析结果

3.1 脱空率

采用承载能力极限状态下作用效应组合,荷载工况为恒载+汽车荷载+人群荷载+汽车制动力[10]。当ρ=1,ψ=0、5%、10%、15%时,钢管轴向应力变化如图4所示,拱肋挠度变化如图5所示。

图4 ρ=1 钢管节点-应力曲线

由图4知,脱空率不会改变钢管轴向应力的变化趋势,随着脱空率的增加,钢管轴向应力基本呈线性增长,均处于弹性工作阶段。ρ=1,ψ=5%、10%、15%时,钢管轴向应力增加约4%、7.5%、12%。这是因为钢管和混凝土共同承受外荷载,当混凝土刚度降低时,钢管承受大部分的荷载,造成脱空段钢管应力增加。由图5知,脱空率对拱肋挠度影响较小,当ρ=1,ψ=15%时,拱顶挠度增加10%、1/4截面挠度增加8%、拱脚挠度增加4%,变化范围均在10%以内。

图5 ρ=1拱肋节点-挠度曲线

3.2 脱空比

荷载工况同上,由于图幅有限仅示意当ψ=15%,ρ=0、1/2、1时,钢管轴向应力、拱肋挠度变化,如图6、图7所示。

图6 ψ=15%钢管节点-应力曲线

图7 ψ=15%拱肋节点-挠度曲线

由图6知,随着脱空比的增加,钢管轴向应力增加,且集中在脱空区段,对于无脱空区段,钢管应力变化微小。ρ≤1/2时,钢管轴向应力增加较快。当ρ=1/2时,拱顶至拱顶两侧1/4范围内,钢管应力由52.2 MPa增至61 MPa,增加17%。由图6知,随着脱空比增加,拱肋挠度略增,且主要集中于1/4～3/4跨。比较图6、图7可知,在线弹性范围内,核心混凝土脱空对拱肋的挠度影响较小,这是因为,钢材的弹性模量明显大于混凝土的弹性模量。因此有必要研究拱肋脱空后,含钢率对拱肋应力和挠度的影响。

3.3 含钢率

减小拱肋钢管厚度ts,使其含钢率αs由10%(ts=20 mm)降低为5%(ts=10 mm)。荷载工况为恒载+汽车荷载+人群荷载+汽车制动力,当ψ=15%,ρ=1时,钢管轴向应力变化如图8所示,拱肋挠度变化如图9所示。

图8 ρ=1、ψ=15%钢管节点-应力曲线

图9 ρ=1、ψ=15%拱肋节点-挠度曲线

由图8、图9知,αs的降低使得钢管轴向应力、拱肋挠度显著增加,αs=5%时,钢管最大应力增加29%,拱肋最大挠度增加31%,可见脱空后的拱肋应力与挠度,对含钢率的变化更为敏感。这是因为钢管对拱肋刚度的贡献较大,降低钢管所占比例后,核心混凝土脱空对拱肋刚度的不利因素随之加大。

4 结 论

(1) 随着脱空率的增加,钢管轴向应力基本呈线性增长,均处于弹性工作阶段,脱空率对拱肋挠度影响较小。

(2) 脱空比增加,钢管应力也随之增加,且脱空比达1/2之前,增加更快。拱肋挠度略增,集中于1/4～3/4跨。

(3) 拱肋含钢率越小,拱肋刚度对核心混凝土脱空程度越敏感,拱肋的挠度和应力显著增加。

[1] 蔡绍怀.现代钢管混凝土结构[M].北京:人民交通出版社,2003.

[2] 陈宝春,韦建刚,吴庆雄.钢管混凝土拱桥设计方法与应用[M].北京：中国建筑工业出版社,2014.

[3] 林春姣,郑皆连,秦 荣.钢管混凝土拱肋混凝土脱空研究综述[J].中外公路,2004,24(6):54～58.

[4] 忻嘉昆.钢管混凝土拱肋脱空分类及原因分析[J].中国科技信息,2009,23(12):81～82.

[5] GB 50923-2013,钢管混凝土拱桥技术规范[S].

[6] 云 迪,郑皓文,周 贺.脱空对钢管混凝土单圆管拱肋面内承载力的影响[J].建筑结构学报, 2015,36(19) :120～125.

[7] 葛俊颖.桥梁工程软件Midas civil使用指南[M]. 北京:人民交通出版社,2013.

[8] 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.

[9] 谢肖礼,赵国藩，邹存俊.钢管混凝土拱桥肋拱面内极限承载力全过程计算机模拟[J].土木工程学报.2004, 37(5):54～58.

[10] 叶见曙.结构设计原理[M].北京：人民交通出版社,2005.

2016-10-26；修改日期：2016-10-28

2015年安徽省质量工程——教学研究项目：“面向创新创业教育改革的土木工程专业卓越人才培养模式研究与实践”(省级一般)项目编号(2015年jyxm020)

崔龙龙(1988-)，男，安徽宿州人，合肥工业大学硕士生．

U448.22

A

1673-5781(2016)05-0696-03