中厚壁冷彎鋼管混凝土橋墩合理截面研究

羅露露　方婉蓉

(1.武漢交通職業(yè)學(xué)院　武漢　430065；　2.華中科技大學(xué)　武漢　430074；

3.中南建筑設(shè)計(jì)院股份有限公司　武漢　430071)

中厚壁冷彎鋼管混凝土橋墩合理截面研究

羅露露1,2方婉蓉3

(1.武漢交通職業(yè)學(xué)院武漢430065；2.華中科技大學(xué)武漢430074；

3.中南建筑設(shè)計(jì)院股份有限公司武漢430071)

摘要結(jié)合工程實(shí)例，通過ANSYS分析在同等條件下用中厚壁冷彎鋼管混凝土橋墩取代鋼筋混凝土橋墩時(shí)，中厚壁冷彎鋼管混凝土橋墩所需要的合理截面尺寸。文中從承載力、墩頂水平位移和工程經(jīng)濟(jì)適用性3個(gè)方面進(jìn)行比較分析。結(jié)果表明：依托實(shí)際工程項(xiàng)目的鋼筋混凝土橋墩截面為1.6 m×4 m時(shí)，與其等效的合理中厚壁冷彎鋼管混凝土橋墩截面為2.2 m×1.8 m。

關(guān)鍵詞冷彎鋼管混凝土橋墩中厚壁合理截面ANSYS分析

目前鋼管混凝土在橋墩上的應(yīng)用多采用圓鋼管混凝土為主，方鋼管混凝土的應(yīng)用比較少見[1]。關(guān)于冷彎型鋼鋼管混凝土的研究多數(shù)是圍繞冷彎薄壁(鋼管厚度不超過6 mm)鋼管混凝土進(jìn)行 ，冷彎中厚壁鋼管混凝土的研究基本上還處于空白[2-3]。然而采用中厚壁冷彎型鋼鋼管與混凝土形成的組合墩柱，與冷彎薄壁鋼管混凝土墩柱相比，具有更高的承載力和更好的延性，必然能更好地滿足建筑及橋梁結(jié)構(gòu)日益發(fā)展的需要。本文以實(shí)際橋梁的墩柱為參考，通過ANSYS 進(jìn)行截面試算，從承載力、墩頂水平位移和工程經(jīng)濟(jì)適用性3個(gè)方面綜合分析，得到與實(shí)際所選橋墩等效的合理的中厚壁冷彎鋼管混凝土截面。

1依托工程

以某曲線梁橋20 m+30 m×3+20 m預(yù)應(yīng)力現(xiàn)澆箱梁2號橋墩為例，對在相同受力情況下等效的冷彎中厚壁鋼管混凝土截面進(jìn)行有限元分析。2號橋墩為矩形鋼筋混凝土實(shí)心墩，墩身的平均高度為23.3 m，墩身截面為1.6 m×4 m。該橋墩的構(gòu)造見圖1。

墩身采用C40混凝土，混凝土用量為149.0 m3。該橋墩墩頂水平力考慮汽車制動(dòng)力、離心力、風(fēng)力、主梁溫度力。根據(jù)規(guī)范計(jì)算出的水平力見表1。

圖1　2號墩構(gòu)造圖(單位:cm)

kN

注：括號外表示順橋向風(fēng)力，括號內(nèi)表示橫橋向風(fēng)力。

2有限元模型

混凝土和鋼材在ANSYS建模時(shí)分別采用SOLID45和SOLID65單元進(jìn)行模擬，建模過程中不考慮鋼管和混凝土之間的粘結(jié)滑移作用，將鋼與混凝土節(jié)點(diǎn)處采用共節(jié)點(diǎn)處理，通過這種方式將鋼管與混凝土連接成為一個(gè)整體。

2.1　鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線關(guān)系

本文試驗(yàn)中的鋼材為冷彎型鋼，選用文獻(xiàn)[4]中的多折線應(yīng)力-應(yīng)變曲線關(guān)系進(jìn)行本構(gòu)關(guān)系的設(shè)定，見圖2，鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變發(fā)展規(guī)律分為4個(gè)線性階段，每個(gè)階段對應(yīng)的應(yīng)力與應(yīng)變比值不一致且逐漸減小。計(jì)算見式(1)~(4)。

圖2　鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

式中：fy，es分別為鋼材的屈服強(qiáng)度和彈性模量。

2.2　混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線關(guān)系

選取考慮了矩形鋼管對核心混凝土約束效應(yīng)影響的三向受壓的混凝土本構(gòu)關(guān)系[5-6]，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系見式(5)~(6)。

式中：x=ε/ε0；y=σ/σ0；

σ0=[1+(-0.013 5ξ2+0.1ξ)(24/fc)0.045]fc

ε0=εcc+[1 330+760(fc/24-1)]ξ0.2；

εcc=1 330+12.5fc；

η=1.6+1.5/x；

ξ=Asfy/(fckAc)，As，Ac分別為鋼管和混凝土的截面面積，fy為鋼材的屈服強(qiáng)度，fck為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

3截面設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)[7]中提到，在相同的極限承載力作用下，鋼管混凝土截面要比鋼筋混凝土截面小很多，截面面積大致可以降到0.4，故本文在選取截面尺寸的時(shí)候以此為參考。冷彎鋼管混凝土中鋼管采用Q345鋼，壁厚6 mm，試算截面尺寸設(shè)計(jì)見表2。

表2　試算截面尺寸　 m

將依托的實(shí)際橋墩即2號橋墩所受到的力進(jìn)行組合，得到軸向、橫橋向和縱橋向的最不利荷載組合，將3個(gè)方向組合得到的最不利的荷載作用于設(shè)計(jì)的鋼管混凝土截面上，墩高不變，從承載力、墩頂水平位移和經(jīng)濟(jì)性3個(gè)方面得到合理的一種截面形式。本文將鋼管混凝土橋墩簡化成一端固結(jié)，一端自由的計(jì)算模型。有限元模型見圖3。

圖3　橋墩有限元模型

4結(jié)果分析

合理的截面尺寸，即不僅能夠滿足承載力的要求，也需要能夠滿足橋墩墩頂水平位移和工程經(jīng)濟(jì)適用性的要求。

4.1　承載力

各截面在相同的承載力作用下，鋼管混凝土橋墩中鋼管和混凝土2種材料的最大應(yīng)力-應(yīng)變見表3。

表3　鋼管和混凝土材料的最大應(yīng)力-應(yīng)變

由表3可見，隨著鋼管截面的減小，在相同的承載力作用下，外鋼管逐漸從彈性工作轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄怨ぷ?，混凝土的?qiáng)度和應(yīng)變也在不斷增大。從承載能力方面來看，在僅考慮橋墩所受全部外力最不利作用的情況下，試算的每一個(gè)截面均能滿足要求。其中1.4 m×1.2 m截面屬于臨界截面，即截面尺寸小于該截面時(shí)已不能再承受最不利荷載的影響。

4.2　墩頂水平位移

文獻(xiàn)[8]中提出墩頂水平位移限值需滿足

(7)

表4　墩頂位移

由表4可見，截面2.2 m×2.0 m橫橋向位移為52.09 mm，縱橋向水平位移為73.97 mm，均滿足最大允許水平位移；而截面2.2 m×1.8 m橫橋向位移為58.20 mm，小于最大水平位移的限值，但是縱橋向水平位移為101.69 mm，超出最大允許水平位移17%。其他幾種截面不論是從橫橋向還是縱橋向位移來看均超出最大水平位移，其中最少超出最大水平位移限值的20%，最多超過7.4倍。

故從墩頂水平位移限值方面考慮，最符合條件的為截面2.2 m×2.0 m，而截面2.2 m×1.8 m，結(jié)合承載力分析的結(jié)果，在受到最不利承載力作用下仍處于彈性工作階段，混凝土尚且有足夠的強(qiáng)度，該位移是可以恢復(fù)的，故可以認(rèn)為該截面亦滿足要求。

4.3　經(jīng)濟(jì)適用性

試算截面的鋼管混凝土橋墩，從截面尺寸上已遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于依托項(xiàng)目的鋼筋混凝土橋墩。其中最大試算截面為鋼筋混凝土截面的0.69倍，最小的試算截面為鋼筋混凝土截面的0.26倍。從經(jīng)濟(jì)性上考慮，所選取的截面也是造價(jià)相對較低的。

文中試算的所有截面其單根墩的造價(jià)均小于鋼筋混凝土橋墩的造價(jià)。如果單從經(jīng)濟(jì)性上進(jìn)行比較，所選截面相對于鋼筋混凝土墩造價(jià)上至少可以節(jié)約58%。

5結(jié)論

綜合承載能力和經(jīng)濟(jì)性上分析，所有截面均符合要求，但從墩頂水平位移上分析僅有截面2.2 m×2.0 m和截面2.2 m×1.8 m滿足要求。綜合3個(gè)方面的分析，可以選出合理的截面尺寸為2.2 m×1.8 m，即等效于依托項(xiàng)目的鋼筋混凝土橋墩的合理的鋼管混凝土截面為2.2 m×1.8 m。說明采用中厚壁冷彎鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在滿足受力和變形的前提下，經(jīng)濟(jì)性得到很大改善，在橋梁墩柱結(jié)構(gòu)中將得到廣泛使用。

參考文獻(xiàn)

[1]胡朝平.方鋼管混凝土應(yīng)用實(shí)例[J].安徽建筑,2011(2):126-128.

[2]汪輝.考慮初始缺陷的中厚壁冷彎鋼管柱極限承載力研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2004.

[3]張達(dá).方形冷彎中厚壁鋼管混凝土短柱承載力研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2012.

[4]ABAEL-RAHMAN N,SIVAKUMARAN K S. Material properties models for analysis of cold-formed steel members[J]. Journal of Structural Engineering,1997,123(9):1135-1143.

[5]韓林海.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)[M].2版.北京: 科學(xué)出版社, 2007.

[6]陶忠,余清.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.

[7]馬建峰,慧穎.鋼管混凝土高橋墩的極限承載力分析[J].鋼結(jié)構(gòu),2009, 24(10):24-27.

[8]馬建峰.鋼管混凝土壓彎構(gòu)件的穩(wěn)定性及在橋墩中的應(yīng)用[D].南京:南京理工大學(xué),2009.

Reasonable Section Research on Medium-walled

Cold-formed Steel Piers-walled Cold-formed Steel Piers

LuoLulu1,2,FangWanrong3

(1.Wuhan Technical College of Communications, Wuhan 430065, China;

2.Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China;

3.Central-South Architectural Design Institute, Wuhan 430065, China)

Abstract：With practical instances, under the same conditions by ANSYS, the reasonable section that is used to be instead of reinforced concrete bridge piers with medium-walled cold-formed steel pipes is researched. A comparative analysis from three aspects is made in the article, which are bearing capacity, lateral displacement of pier and the engineering applicability of the economic. The results show that: when the actual section of the reinforced concrete pier is 1.6 m×4 m, the reasonable equivalent section of medium-walled cold-formed steel pier is 2.2 m×1.8 m.

Key words:concrete-filled cold-formed steel piers; medium-walled; reasonable section; ANSYS analysis

收稿日期：2015-02-19

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.03.004