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(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)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(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)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?yàn)檠芯勘尘?，利用Midas Civil施工聯(lián)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(jié)果表明：脫空比和脫空率對拱肋的應(yīng)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(yīng)嚴(yán)格控制核心混凝土的密實(shí)度，防止脫空現(xiàn)象的發(fā)生。

脫空；鋼管混凝土拱橋；Midas Civil

0 引 言

大量工程實(shí)踐表明,鋼管和混凝土之間經(jīng)常出現(xiàn)界面分離的現(xiàn)象[1]。界面分離現(xiàn)象可分為兩種：一種是由于施工質(zhì)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(zhì)量原因引起的二者粘結(jié)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(shè)計(jì)不當(dāng)、混凝土泵送不到位、注漿口及排氣口設(shè)置不當(dāng)?shù)仍驎?huì)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(xiàn)脫空后,不同脫空率、脫空比、含鋼率對拱肋應(yīng)力和拱肋撓度的變化。為啞鈴型鋼管混凝土拱橋的設(shè)計(jì)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(jì)算分析模型

2.1 脫空參數(shù)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(gè)參數(shù):脫空率ψ,即核心混凝土脫空部分面積與鋼管核心區(qū)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(dá)式為

(1)

(2)

其中,l'為脫空段水平投影長度,l為拱肋計(jì)算跨度,其余符號(hào)含義見圖(2)b。根據(jù)(1)式,脫空率ψ分別為0、5%、10%、15%時(shí)對應(yīng)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(lián)合截面功能實(shí)現(xiàn),同一截面上鋼管和混凝土通過共節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)二者的變形協(xié)調(diào),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(yīng)力和剪應(yīng)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(jì)算模型共有梁單元734個(gè),桁架單元34個(gè),板單元192個(gè),實(shí)體單元2 192個(gè),節(jié)點(diǎn)數(shù)558個(gè)。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(jié)果

3.1 脫空率

采用承載能力極限狀態(tài)下作用效應(yīng)組合,荷載工況為恒載+汽車荷載+人群荷載+汽車制動(dòng)力[10]。當(dāng)ρ=1,ψ=0、5%、10%、15%時(shí),鋼管軸向應(yīng)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(jié)點(diǎn)-應(yīng)力曲線

由圖4知,脫空率不會(huì)改變鋼管軸向應(yīng)力的變化趨勢,隨著脫空率的增加,鋼管軸向應(yīng)力基本呈線性增長,均處于彈性工作階段。ρ=1,ψ=5%、10%、15%時(shí),鋼管軸向應(yīng)力增加約4%、7.5%、12%。這是因?yàn)殇摴芎突炷凉餐惺芡夂奢d,當(dāng)混凝土剛度降低時(shí),鋼管承受大部分的荷載,造成脫空段鋼管應(yīng)力增加。由圖5知,脫空率對拱肋撓度影響較小,當(dāng)ρ=1,ψ=15%時(shí),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(nèi)。

圖5 ρ=1拱肋節(jié)點(diǎn)-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(dāng)ψ=15%,ρ=0、1/2、1時(shí),鋼管軸向應(yīng)力、拱肋撓度變化,如圖6、圖7所示。

圖6 ψ=15%鋼管節(jié)點(diǎn)-應(yīng)力曲線

圖7 ψ=15%拱肋節(jié)點(diǎn)-撓度曲線

由圖6知,隨著脫空比的增加,鋼管軸向應(yīng)力增加,且集中在脫空區(qū)段,對于無脫空區(qū)段,鋼管應(yīng)力變化微小。ρ≤1/2時(shí),鋼管軸向應(yīng)力增加較快。當(dāng)ρ=1/2時(shí),拱頂至拱頂兩側(cè)1/4范圍內(nèi),鋼管應(yīng)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(nèi),核心混凝土脫空對拱肋的撓度影響較小,這是因?yàn)?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(yīng)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(dòng)力,當(dāng)ψ=15%,ρ=1時(shí),鋼管軸向應(yīng)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(jié)點(diǎn)-應(yīng)力曲線

圖9 ρ=1、ψ=15%拱肋節(jié)點(diǎn)-撓度曲線

由圖8、圖9知,αs的降低使得鋼管軸向應(yīng)力、拱肋撓度顯著增加,αs=5%時(shí),鋼管最大應(yīng)力增加29%,拱肋最大撓度增加31%,可見脫空后的拱肋應(yīng)力與撓度,對含鋼率的變化更為敏感。這是因?yàn)殇摴軐袄邉偠鹊呢暙I(xiàn)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(jié) 論

(1) 隨著脫空率的增加,鋼管軸向應(yīng)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(yīng)力也隨之增加,且脫空比達(dá)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(yīng)力顯著增加。

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2016-10-26；修改日期：2016-10-28

2015年安徽省質(zhì)量工程——教學(xué)研究項(xiàng)目：“面向創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的土木工程專業(yè)卓越人才培養(yǎng)模式研究與實(shí)踐”(省級一般)項(xiàng)目編號(hào)(2015年jyxm020)

崔龍龍(1988-)，男，安徽宿州人，合肥工業(yè)大學(xué)碩士生．

U448.22

A

1673-5781(2016)05-0696-03