脫粘對鋼管混凝土拱溫度應(yīng)力及內(nèi)力影響分析

劉振宇，郭子雄

（華僑大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 廈門 361021）

脫粘對鋼管混凝土拱溫度應(yīng)力及內(nèi)力影響分析

劉振宇，郭子雄

（華僑大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 廈門 361021）

選取鋼管混凝土單圓管拱、啞鈴型拱和桁拱3座橋例為工程背景，結(jié)合有限元法，分析脫粘對溫度應(yīng)力及內(nèi)力的影響 .研究結(jié)果表明：脫粘使得夏季的平均溫度降低，冬季的平均溫度升高，但總體上脫粘與無脫粘的平均溫度相差很??；脫粘使得鋼管的溫度自應(yīng)力增大，核心混凝土的溫度自應(yīng)力減小，且超過拱肋自重產(chǎn)生的應(yīng)力，因此鋼管混凝土拱橋溫度應(yīng)力的計算要考慮脫粘的影響.此外，脫粘對鋼管混凝土單圓管拱、啞鈴形拱的溫度內(nèi)力基本上沒有影響，對桁肋拱的溫度內(nèi)力有較大的影響.

橋梁工程；鋼管混凝土；拱；脫粘；溫度應(yīng)力

鋼管混凝土拱作為組合結(jié)構(gòu)，鋼管與管內(nèi)混凝土能否共同工作，發(fā)揮組合作用，是橋梁界工程師十分關(guān)注的一個問題.工程實踐表明，大量的鋼管混凝土拱橋在運營若干年后，拱肋內(nèi)部存在著不同程度的鋼管與混凝土脫粘的現(xiàn)象，脫粘使鋼管與混凝土的組合作用受到質(zhì)疑，成為鋼管混凝土拱橋中研究的一個熱點與難點.對于鋼管混凝土拱脫粘問題已有一些研究成果［1-4］，如在自然環(huán)境溫度變化影響下，鋼管混凝土拱截面極易發(fā)生脫粘，脫粘使得鋼管混凝土拱的受力模式發(fā)生變化，進而對內(nèi)力和應(yīng)力產(chǎn)生影響.文獻［5］提出了鋼管混凝土拱橋溫度應(yīng)力計算的基本方法，但沒有進行實際結(jié)構(gòu)的計算分析.文獻［6］對鋼管混凝土單圓管拱和桁式拱2座橋例的溫度應(yīng)力進行分析，指出鋼管混凝土拱橋的溫度應(yīng)力值與拱肋自重產(chǎn)生的應(yīng)力相當(dāng).文獻［7－9］僅分析了線性溫度變化下的溫度應(yīng)力.這些研究均建立在鋼管與混凝土完全粘結(jié)的情況下，而實際工程中鋼管混凝土拱可能發(fā)生脫粘，鋼管與混凝土的受力模式將發(fā)生變化，因此脫粘對鋼管混凝土拱溫度應(yīng)力和內(nèi)力的影響有多大還是個值得研究的問題.本文以3座鋼管混凝土拱橋為工程背景，進行脫粘對鋼管混凝土拱的溫度應(yīng)力和溫度次內(nèi)力的影響分析.

1 有限元分析方法［10］

進行溫度應(yīng)力的計算，拱肋單元的劃分可以采用實體單元，但對于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，需要太多的消耗.實際應(yīng)用中，一般將非線性的溫度場分解為“等效線性溫度場”和“等效非線性溫度場”，二者產(chǎn)生的溫度應(yīng)力之和就是總的溫度應(yīng)力.

“等效線性溫度場”產(chǎn)生溫度次內(nèi)力（應(yīng)力），即截面平均溫度變化在超靜定拱中產(chǎn)生的內(nèi)力，可采用桿系結(jié)構(gòu)求解，使問題得到簡化.對于無脫粘的情況，拱肋結(jié)構(gòu)模型采用雙單元法建立，即鋼管單元和混凝土單元共用節(jié)點，分別賦予鋼材和混凝土的材料屬性.對于脫粘的情況，由于引起脫粘的機理復(fù)雜，很難準確確定脫粘的具體范圍和脫粘厚度，為研究方便，假定鋼管與混凝土界面沿鋼管混凝土拱肋縱向、環(huán)向全部脫粘，鋼管與混凝土之間的摩擦力為0.具體建模時，在鋼管與混凝土單元之間沿y方向設(shè)置一剛度很大的彈簧來模擬二者之間的相互作用.

“等效非線性溫度場”產(chǎn)生的應(yīng)力稱為溫度自應(yīng)力，它在截面上不產(chǎn)生附加內(nèi)力（應(yīng)力自平衡）.計算時只需針對各個具體截面，而不要進行結(jié)構(gòu)計算.由溫度場的計算結(jié)果提取出截面上各單元的溫度，由平截面假定，求出各單元的溫度自應(yīng)力.

2 算例分析

2.1 橋例及有限元模型

選取福建省的福安群益單圓管肋拱橋、泉州百崎湖啞鈴型肋拱橋、漳州西洋坪桁肋拱橋3座鋼管混凝土拱橋為工程背景進行計算分析.其中：群益大橋為單跨46m的鋼管混凝土中承式單圓管肋拱；百崎湖大橋為3跨下承式系桿拱，主孔跨徑為80m，拱肋截面為啞鈴形；西洋坪大橋為3跨飛鳥式鋼管混凝土桁肋拱橋，主孔跨徑為150m，拱肋截面為桁式拱肋.3個算例橋梁的詳細資料參見文獻［2，11－12］.

拱肋的材料組成、氣象資料均采用漳州西洋坪大橋的資料 .鋼管的初始溫度取15.0℃，即西洋坪大橋鋼管合攏時的溫度，混凝土初始溫度取25.3℃，即西洋坪大橋第1根弦管混凝土澆筑完成時的溫度.不失一般性地選取脫粘空隙為1mm進行脫粘對溫度次內(nèi)力和自應(yīng)力的影響分析.應(yīng)用通用程序ANSYS建立有限元計算模型，拱肋采用BEAM 188梁單元來模擬，彈簧采用COMBIN 39單元來模擬.圖1是3座鋼管混凝土拱橋的有限元模型.有限元分析中，鋼的泊松比υs為0.286，混凝土的泊松比υc為0.167，鋼的線膨脹系數(shù)αs為1.2×10－5，混凝土的線膨脹系數(shù)αc為1.0×10－5［13］.

圖1 3座鋼管混凝土拱橋的有限元模型Fig.1 FE model of three CSFT arch bridges

2.2 計算工況及對應(yīng)的平均溫度值

根據(jù)可能產(chǎn)生最不利的情況，選取了2個工況.

1）工況1.由于夏季截面正溫差最大，將2007年7月份的氣象資料帶入進行溫度場計算，由溫度場的計算結(jié)果可知2007年7月17日下午14∶00，截面的正溫差達到最大.

2）工況2.由于冬季截面負溫差最大，故將2008年1月份的氣象資料帶入進行溫度場計算，由溫度場的計算結(jié)果可知2008年1月2日上午6∶00，截面的負溫差達到最大.由于實橋溫度場測試沒有

觀測到夏季和冬季最不利的情況，因此，工況1和工況2的分析均采用氣象資料.表1是拱肋截面在兩種工況下的平均溫度值.由表1可以看出：脫粘使得夏季的平均溫度降低，冬季的平均溫度升高，但總體上脫粘與無脫粘的平均溫度相差很小.

表1 拱肋截面各工況下的平均溫度Tab.1 Average temperature of arch rib in each case ℃

2.3 脫粘對溫度應(yīng)力及溫度內(nèi)力的影響

2.3.1 非線性溫度自應(yīng)力分析 表2分別給出群益大橋、百崎湖大橋和西洋坪大橋各工況下拱肋截面溫度自應(yīng)力極值 .由表2可看出，脫粘使得鋼管的自應(yīng)力增大，核心混凝土的自應(yīng)力減小.由表2可見：對于群益大橋，無脫粘時鋼管表面的最大壓應(yīng)力可達－33.14MPa，脫粘時的最大壓應(yīng)力可達－40.51 MPa，均大于自重產(chǎn)生的壓應(yīng)力－10.31MPa；對于百崎湖大橋，無脫粘時鋼管表面的最大壓應(yīng)力可達－34.90MPa，脫粘時的最大壓應(yīng)力可達－41.51MPa，均超過了拱肋的自重應(yīng)力－12.07MPa；對于西洋坪大橋，無脫粘時鋼管表面的最大壓應(yīng)力可達－31.53MPa，脫粘時的最大壓應(yīng)力可達－36.81 MPa，均超過了拱肋的自重應(yīng)力－22.09MPa.對比分析可以看知：脫粘時的最大應(yīng)力增大，因此，鋼管混凝土拱橋的溫度自應(yīng)力的計算要考慮脫粘的影響.

表2 各工況下3座樣橋的溫度自應(yīng)力極值Tab.2 Thermal stress of three bridges in each case MPa

2.3.2 等效線性溫度場引起的溫度內(nèi)力分析 表3是群益大橋、百崎湖大橋和西洋坪大橋各工況下的溫度內(nèi)力值 .由表3可以看出：脫粘與無脫粘時，群益大橋、百崎湖大橋的溫度內(nèi)力基本上相同，脫粘對單圓管拱和啞鈴型拱的溫度內(nèi)力沒有影響；西洋坪大橋無脫粘的溫度內(nèi)力值大于脫粘時的內(nèi)力值，即脫粘使得鋼管混凝土桁拱的溫度次內(nèi)力減小.

表3 各工況下3座樣橋的溫度內(nèi)力值Tab.3 Internal thermal force of three bridges in each case

3 結(jié)論

通過3座鋼管混凝土拱橋進行脫粘對鋼管混凝土拱的溫度應(yīng)力和溫度次內(nèi)力的影響分析，得到如下3點結(jié)論.

1）脫粘使得夏季的平均溫度降低、冬季的平均溫度升高，但總體上脫粘與無脫粘對應(yīng)的平均溫度相差很小.

2）非線性溫度場產(chǎn)生的自應(yīng)力超過拱肋自重應(yīng)力；脫粘使得鋼管的溫度自應(yīng)力增大，核心混凝土的溫度自應(yīng)力減小，因此，鋼管混凝土拱橋溫度應(yīng)力的計算要考慮脫粘的影響.

3）脫粘對鋼管混凝土單圓管拱、啞鈴形拱的溫度內(nèi)力基本上沒有影響，對桁肋拱的溫度內(nèi)力有較大的影響.

［1］陳寶春，劉振宇.鋼管混凝土脫粘構(gòu)件溫度場研究［J］.中國公路學(xué)報，2009，22（6）：82－89.

［2］劉振宇.鋼管混凝土桁拱溫度問題研究［D］.福州：福州大學(xué)，2010.

［3］葉躍忠.混凝土脫黏對鋼管混凝土中、低長柱性能的影響［J］.鐵道建筑，2001，41（10）：2－5.

［4］涂光亞，顏東煌，邵旭東.脫黏對桁架式鋼管混凝土拱橋受力性能的影響［J］.中國公路學(xué)報，2007，20（6）：61－66.

［5］何雄君，文武松，胡志堅.鋼管混凝土拱橋溫度荷載分析［J］.橋梁建設(shè)，2000（1）：17－19.

［6］徐愛民，陳寶春.鋼管混凝土拱橋溫度應(yīng)力數(shù)值分析［J］.福州大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，1999，27（3）：15－18.

［7］范丙臣.中承式鋼管混凝土拱橋的溫度評價及試驗研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2001.

［8］熊紅霞.鋼管混凝土拱橋收縮徐變與溫度應(yīng)力的數(shù)值模擬分析［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2004.

［9］趙毓成.鋼管混凝土拱橋溫度應(yīng)力分析［D］.沈陽：東北大學(xué)，2005.

［10］劉振宇，陳寶春 .鋼管混凝土桁拱熱脫粘及溫度應(yīng)力分析［J］.公路交通科技，2011，28（7）：67－72.

［11］陳寶春，劉振宇.鋼管混凝土桁拱溫差計算取值研究［J］.公路交通科技，2010，27（12）：86－93.

［12］柯婷嫻.鋼管混凝土啞鈴形拱的計算溫度取值研究［D］.福州：福州大學(xué)，2009.

［13］中華人民共和國交通部.JTG D60－2004公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

Influence of Debonding on Thermal Stress and Internal Force of Concrete Filled Steel Arch

LIU Zhen－yu，GUO Zi－xiong
（College of Civil Engineering，Huaqiao University，Xiamen 361021，China）

Three concrete filled steel tube（CFST）arch bridges were studied by finite element method，to investigate the influence of debonding on thermal stress and internal force.The analysis result shows that comparing with non－debonding，debonding decreases average temperature of arch rib section in summer，and increases the temperature in winter，but average temperature difference between debonding and non－debonding is slight；debonding increases the thermal stress of steel，decreases the stress of the core concrete，the debonding stress variation is greater than the gravity stress，therefore the influence of debonding should be considered in thermal stress calculation of CFST arch bridge.Debonding has little influence on internal thermal force of CFST arch with singular or dumbbell section，has significant influence on internal thermal force of CFST truss arch.

bridge engineering；concrete filled steel tube；arch；debonding；thermal stres

黃曉楠 英文審校：方德平）

U 441.5

A

1000－5013（2012）02－0188－04

2011－10－11

劉振宇（1980－），男，講師，博士，主要從事鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)的研究.E－mail：lzyu＠hqu.edu.cn.

福建省自然科學(xué)基金資助項目（2011J05134）；華僑大學(xué)高層次人才科研啟動項目（10BS318）