帶肋方鋼管混凝土橋墩的經(jīng)濟(jì)效果分析

李維徽,張安哥

(1.華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院,江西 南昌 330013;2.江西省交通設(shè)計(jì)院,江西 南昌 330002)

目前鋼管混凝土在橋墩中的應(yīng)用以圓鋼管混凝土為主,方鋼管混凝土的應(yīng)用少見(jiàn)報(bào)道。方鋼管混凝土與圓鋼管混凝土相比,具有抗彎剛度大、節(jié)點(diǎn)形式簡(jiǎn)單、制作施工和采用防火措施方便等優(yōu)勢(shì)[1],但由于方鋼管混凝土對(duì)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(zhǎng)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(chǎn)生向外的局部屈曲,尤其是應(yīng)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(duì)其承載力的影響。以往的研究結(jié)果表明[2-8]:設(shè)置縱向加勁肋能有效改善鋼管管壁的穩(wěn)定性,增強(qiáng)鋼管對(duì)核心混凝土的約束作用,從而提高此類構(gòu)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(mén)—成都國(guó)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(duì)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(jià)進(jìn)行計(jì)算比較,在此基礎(chǔ)上對(duì)帶肋方鋼管混凝土的經(jīng)濟(jì)效果進(jìn)行分析,以期為相關(guān)工程實(shí)踐提供參考。

1 設(shè)計(jì)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(jì)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(qiáng)度設(shè)計(jì)值;ξ0為約束效應(yīng)系數(shù)設(shè)計(jì)值(ξ0=Asf/Acfc),As為鋼管的橫截面面積,f為鋼管的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,Ac為混凝土的橫截面面積,fc為混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;Ast為加勁肋的橫截面面積;fst為加勁肋的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;ψ1、ψ2分別為與B/t、hs/ts相關(guān)的承載力影響系數(shù)。

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(qiáng)度。

1.2 抗彎承載力

考慮縱向加勁肋的影響,對(duì)江西省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[9]中的方鋼管混凝土抗彎承載力進(jìn)行適當(dāng)修正,提出帶肋方鋼管混凝土抗彎承載力Mu的計(jì)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(qiáng)度設(shè)計(jì)值,按式(2)計(jì)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(qiáng)度設(shè)計(jì)值;γm為抗彎承載力計(jì)算系數(shù),γst為與加勁肋高厚比 hs/ts相關(guān)的承載力影響系數(shù),γm、γst的計(jì)算公式如下

其中:ξ為約束效應(yīng)系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值,ξ=Asfy/Acfck,As為鋼管的橫截面面積,fy為鋼管的屈服強(qiáng)度,Ac為混凝土的橫截面面積,fck為混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)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(shè)標(biāo)準(zhǔn)《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[9]中的計(jì)算公式,得到帶肋方鋼管混凝土壓彎構(gòu)件的軸力(N)與彎矩(M)相關(guān)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(shù)的確定方法見(jiàn)江西省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[9]中的相關(guān)規(guī)定;該計(jì)算公式得到了試驗(yàn)和有限元分析結(jié)果的驗(yàn)證,具有較好的計(jì)算精度。

2 設(shè)計(jì)方案

廈門(mén)—成都國(guó)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(jié)構(gòu)形式為5跨30 m的先簡(jiǎn)支后連續(xù)鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力T梁,下部橋墩采用柱式橋墩,樁基采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ),橋型布置如圖2所示。

現(xiàn)以3號(hào)橋墩墩柱為例,如圖3所示,墩柱的設(shè)計(jì)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(duì)③號(hào)橋墩墩柱進(jìn)行設(shè)計(jì),為了便于比較,設(shè)計(jì)的原則是盡量保證三種方案中墩柱的實(shí)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(hào)橋墩結(jié)構(gòu)示意圖

表1 三種方案的承載力比較

方案一:設(shè)計(jì)為鋼筋混凝土。墩柱直徑D=1.6 m;鋼筋采用HRB335,強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f=300MPa;混凝土采用C30,混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc=14.3 MPa。材料用量情況見(jiàn)表2。

方案二:設(shè)計(jì)為方鋼管混凝土。墩柱截面邊長(zhǎng)B=1.0 m,方鋼管壁厚t=20 mm;鋼材采用Q345,鋼材屈服強(qiáng)度f(wàn)y=345 MPa,鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f=310 MPa;混凝土采用C40,混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 fc=19.1 MPa。采用噴涂防火涂料的防火措施,防火保護(hù)層厚度取12 mm(耐火極限2 h)。材料用量情況見(jiàn)表2。

方案三:設(shè)計(jì)為帶肋方鋼管混凝土。墩柱截面邊長(zhǎng)B=1.1 m,方鋼管壁厚t=8 mm;鋼材采用Q345,鋼材屈服強(qiáng)度 fy=345 MPa,鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 f=310 MPa;混凝土采用C40,混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 fc=19.1 MPa;采用噴涂防火涂料的防火措施,防火保護(hù)層厚度取12 mm(耐火極限2 h);方鋼管的寬厚比不滿足規(guī)范規(guī)定的寬厚比限值要求[9],因此在每個(gè)管壁內(nèi)側(cè)等距設(shè)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(jiàn)表2。

表2 三種方案的材料用量表

3 經(jīng)濟(jì)效果分析

根據(jù)江西省工程消耗量定額及統(tǒng)一基價(jià)表和近期市場(chǎng)行情,確定出各材料的平均綜合單價(jià)(包括材料、人工、機(jī)械等相關(guān)費(fèi)用),見(jiàn)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(jià)比較情況。

表3 材料的平均綜合單價(jià)

表4 三種方案的經(jīng)濟(jì)效果比較

由表4可見(jiàn),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(fèi)用,但卻節(jié)省了約42%的鋼材用量,因此降低了35%的工程造價(jià),經(jīng)濟(jì)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(fèi)用減少了約48%,但鋼材費(fèi)用卻提高了近113%,且防火涂料費(fèi)用也略比模板用費(fèi)高,所以導(dǎo)致帶肋方鋼管混凝土橋墩的工程造價(jià)比鋼筋混凝土橋墩高出近47%。

然而在實(shí)際工程中,對(duì)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(guò)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(huì)延長(zhǎng)工期,增加相關(guān)的勞動(dòng)力成本,進(jìn)而提高工程造價(jià)。而對(duì)于帶肋方鋼管混凝土柱來(lái)說(shuō),鋼管的制作比鋼筋骨架的制作安裝簡(jiǎn)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(duì)施工作業(yè)大為有力,改善了工作條件,減少了現(xiàn)場(chǎng)露天工作,大大縮短了工期,由表4可見(jiàn),施工工期縮短了一半以上,從而降低了相當(dāng)一部分的施工費(fèi)用[1]。

綜上所述,在實(shí)際工程應(yīng)用中,帶肋方鋼管混凝土比鋼筋混凝土柱略占優(yōu)勢(shì),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(yōu)勢(shì)更為明顯;同時(shí)帶肋方鋼管混凝土橋墩結(jié)構(gòu)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(qiáng)度和剛度,因而特別適合在橋?qū)捿^大的城市橋和立交橋中應(yīng)用。

4 結(jié)論

由本文的分析可得到如下結(jié)論:

(1)帶肋方鋼管混凝土柱與方鋼管混凝土柱相比,節(jié)省了約42%左右的鋼材費(fèi)用,降低了35%的工程造價(jià),經(jīng)濟(jì)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(fèi)用減少了48%,鋼材費(fèi)用提高了113%,從而工程造價(jià)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(diǎn),施工工期縮短了一半以上,因而在實(shí)際工程應(yīng)用中,帶肋方鋼管混凝土具有明顯的施工優(yōu)勢(shì)。

[1]韓林海.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)-理論與實(shí)踐[M].2版.北京:科學(xué)出版社,2007.

[2]陶忠,于清.新型組合結(jié)構(gòu)柱-試驗(yàn)、理論與方法[M].北京:科學(xué)出版社,2006.

[3]李毅.帶肋方鋼管混凝土軸壓短柱的承載力研究[D]:南昌:華東交通大學(xué),2010.

[4]張耀春,陳勇.設(shè)直肋方形薄壁鋼管混凝土短柱的試驗(yàn)研究與有限元分析[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2006,27(5):16-22.

[5]TAO Z,HAN L H,WANG D Y.Strength and ductility of stiffened thin-walled hollow steel structural stub columns filledwith concrete[J].Thin-Walled Structures,2008,46(10):1113-1128.

[6]黃宏,李毅,張安哥.帶肋方鋼管混凝土軸壓短柱的試驗(yàn)研究[J].鐵道建筑,2009(12):113-115.

[7]TAO Z,HAN L H,WANG D Y.Experimental behaviour of concrete-filled stiffened thin-walled steel tubular columns[J].Thin-Walled Structures,2007,45(5):517-527.

[8]周繼忠,鄭永乾,陶忠.帶肋薄壁和普通方鋼管混凝土柱的經(jīng)濟(jì)性比較[J].福州大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008,36(4):598-602.

[9]江西省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)DB36/J001-2007.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].南昌,2007.