勁性骨架及鋼管混凝土組合柱墩的受力機(jī)理淺析

符曉鋒

(常州市交通規(guī)劃設(shè)計院有限公司)

勁性骨架及鋼管混凝土組合柱墩的受力機(jī)理淺析

符曉鋒

(常州市交通規(guī)劃設(shè)計院有限公司)

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展重點(diǎn)不斷向西北部傾斜以及東南路網(wǎng)的日趨完善，近年來高速公路、省道的大規(guī)模建設(shè)都走向了西部地區(qū)，隨之帶來的橋梁建設(shè)事業(yè)也在西部蓬勃發(fā)展。我國西部地區(qū)的地形地貌復(fù)雜，有著山高、谷深、流急的特點(diǎn)，因此修造橋梁時往往出現(xiàn)高墩、超高墩橋，墩高超過50m十分常見，甚至有些大橋墩高超過100m。在高墩橋的設(shè)計、施工過程中，橋墩成為全橋的重點(diǎn)，無論是承載力、抗震、穩(wěn)定性設(shè)計還是施工偏差控制都非常重要，直接影響到橋梁建成后的穩(wěn)定性和極限承載力。

目前修建的橋墩還是以鋼筋混凝土作為主要材料。鋼筋混凝土橋墩往往只能以增大截面尺寸來使之具有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，以保證橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性和正常使用。帶來的問題一方面是設(shè)計的困難，另一方面則是施工的困難，同時材料的浪費(fèi)和橋梁外觀笨重等問題也是不可忽略的，與當(dāng)下低碳環(huán)保、節(jié)能減排的新時代工程設(shè)計理念也是相違背的。因此我們亟需研究新的材料和結(jié)構(gòu)形式，以解決高橋墩的設(shè)計和建造問題。

1. 勁性骨架及鋼管混凝土組合柱墩的構(gòu)思

勁性骨架混凝土高墩具有良好的抗彎能力，型鋼骨架提高了橋墩的剛度和延性，對提高其豎向承載力和抗風(fēng)、抗震均有幫助，且便于施工，已經(jīng)運(yùn)用在了一些特大橋上。但也有其局限性，勁性骨架結(jié)合箍筋的形式對混凝土的套箍作用不明顯，無法充分發(fā)揮混凝土的抗壓性能。在地震作用下無法對混凝土形成良好的約束以維持橋墩的整體剛度。

鋼管混凝土墩則讓混凝土處于三向受壓狀態(tài)，能大幅提高其承載能力，但對混凝土墩的抗彎性能提高不明顯，因此在實(shí)際工程中很難采用大尺寸的鋼管混凝土。施工上存在的較大困難局限了其使用范圍，目前鋼管混凝土更多使用在尺寸較小的柱結(jié)構(gòu)中，在橋墩上罕有使用。

針對上述兩種形式的墩的優(yōu)點(diǎn)與不足，應(yīng)研究一種新型的柱，加強(qiáng)外部混凝土的約束，不但能夠提高承載力、延性等，同時能使內(nèi)外部分很好的共同工作?；诖?，本文研究了將兩者結(jié)合的勁性骨架及鋼管混凝土組合柱墩。

圖1 勁性骨架及鋼管混凝土組合柱墩的形式

這種結(jié)合形式可以充分發(fā)揮兩種的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)各自的缺陷。核心采用鋼管混凝土，既能利用鋼管混凝土優(yōu)秀的承壓能力，又不必建造尺寸過大的鋼管；外圍采用勁性骨架混凝土包裹，能大幅提高墩的剛度和橫向受力性能。

本文將結(jié)合勁性骨架混凝土墩和鋼管混凝土墩的研究，著重討論勁性骨架及鋼管混凝土組合柱墩的受力機(jī)理。

2. 混凝土的套箍強(qiáng)化現(xiàn)象

經(jīng)過試驗(yàn)研究表明，混凝土的變形和破壞與混凝土所處的受力狀態(tài)有莫大關(guān)系。在單軸受壓狀態(tài)下，混凝土破壞時的最大壓應(yīng)變大約為0.2%，而當(dāng)有側(cè)向壓力同時作用的時候，這一數(shù)值可有很大的提高，其抗壓強(qiáng)度同時也有大幅的提高。此即混凝土的套箍強(qiáng)化。

混凝土在三軸壓應(yīng)力狀態(tài)下，順縱軸向的微裂縫的發(fā)生和發(fā)展會受到限制，從而延遲了裂縫的發(fā)展和新裂縫的發(fā)生。甚至對于一些已經(jīng)發(fā)生的微裂縫還有閉合作用。混凝土的微裂縫的發(fā)生和發(fā)展就需要更高的壓應(yīng)力才能實(shí)現(xiàn)，同樣微柱的失穩(wěn)或折斷也需要比單軸受壓狀態(tài)更高的應(yīng)力。從不同側(cè)壓力p作用下的混凝土σ1-ε1曲線可以看出，隨著p值的增大，不僅抗壓強(qiáng)度fc增大，而且相應(yīng)的極限壓縮變形值也會隨之增大。在側(cè)壓力不是非常高的情況下，混凝土的破壞面主要是粗骨料和水泥的接合面，但側(cè)壓力提高到一定程度后，混凝土微柱始終不會失穩(wěn)，則混凝土的破壞將成為骨料的破壞?；炷恋拇止橇蠈⒃诟叩妮S向壓力下在平行于主壓應(yīng)力的平面形成第二層次的微柱，最后因第二層次微柱失穩(wěn)而導(dǎo)致混凝土破壞。

3. 勁性骨架及鋼管混凝土組合柱墩的工作機(jī)理

借鑒勁性骨架和鋼管混凝土的優(yōu)點(diǎn)，將兩者組合在一起，形成新型組合柱墩。這種新的組合結(jié)構(gòu)的受力相對更為復(fù)雜，但基本的工作機(jī)理還是與混凝土的套箍強(qiáng)化分不開的。

分析勁性骨架及鋼管混凝土的工作機(jī)理時需要把構(gòu)件分為兩部分，一部分是內(nèi)部構(gòu)件——鋼管混凝土，二是外部構(gòu)件——外包鋼混凝土。認(rèn)識勁性骨架及鋼管混凝土工作機(jī)理的關(guān)鍵在于探明內(nèi)部核心混凝土、鋼管和外圍勁性骨架混凝土三種材料的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系特點(diǎn)，然后區(qū)分出各自不同的工作階段，最終形成這種復(fù)雜的組合結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)。

在初始荷載階段，外圍的勁性骨架混凝土處于彈性階段，承受軸向壓力，內(nèi)部的核心混凝土的橫向變形系數(shù)小于鋼管的泊松系數(shù)，混凝土與鋼管之間不發(fā)生擠壓，鋼管如同普通鋼筋一樣，承受縱向壓力，此時外圍的勁性骨架混凝土與內(nèi)部構(gòu)件的橫向變形系數(shù)基本相同，它們之間沒有作用力。所以在這一階段，核心混凝土、鋼管和外圍的勁性骨架混凝土共同承受縱向壓力。

隨著縱向應(yīng)變的增加，外圍的勁性骨架混凝土出現(xiàn)裂縫，內(nèi)部混凝土發(fā)生微裂并不斷發(fā)展，混凝土的側(cè)向膨脹超過鋼管的側(cè)向膨脹，從此開始，鋼管處于縱壓－環(huán)拉的雙向應(yīng)力狀態(tài)（徑向壓力較小，可以忽略），混凝土處于三向受壓狀態(tài)，外圍勁性骨架混凝土除承受軸向壓力外還承受一部分內(nèi)部構(gòu)件的鼓脹力。

在混凝土的泊松系數(shù)大于鋼材后，混凝土與鋼管壁之間出現(xiàn)徑向壓力，當(dāng)雙向受力的鋼管還處于彈性階段時勁性骨架－鋼管混凝土外觀體積變化不大，此時外圍的勁性骨架混凝土已經(jīng)出現(xiàn)微小裂縫。隨著荷載的增加，鋼管達(dá)到屈服而開始塑性變形后，勁性骨架－鋼管混凝土的應(yīng)變發(fā)展加快，外圍的勁性骨架混凝土裂縫逐漸增多。按照Mises屈服條件的規(guī)律：

式中，σ1s為鋼管縱向應(yīng)力；σ2s為鋼管環(huán)向應(yīng)力；fy為鋼管屈服強(qiáng)度。

隨著鋼管環(huán)向應(yīng)力σ2s的不斷增大，其縱應(yīng)力σ1s則相應(yīng)地不斷減小，在鋼管與核心混凝土之間產(chǎn)生縱向壓力的重分布。一方面，鋼管承受壓力不斷減小，另一方面，核心混凝土因受到鋼管較大的環(huán)向約束而具有更高的抗壓強(qiáng)度，鋼管從主要承受縱向壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕惺墉h(huán)向拉應(yīng)力。最后，隨著縱向應(yīng)變的不斷增加，外圍的勁性骨架混凝土裂縫不斷增多，瀕臨破壞。與此同時，組合構(gòu)件整體也達(dá)到了極限承載力。緊接著外圍的勁性骨架混凝土破壞、脫落，構(gòu)件的內(nèi)力進(jìn)行重分布，由外圍勁性骨架混凝土承擔(dān)的壓力傳到內(nèi)部的鋼管混凝土上，內(nèi)部的核心混凝土承受更大的壓力，橫向變形也隨之增大，因此鋼管的環(huán)向塑性變形急劇增加。構(gòu)件環(huán)向內(nèi)力進(jìn)行重分布，鋼管承擔(dān)更大的環(huán)向拉力，環(huán)向變形增加很大。鋼管所承擔(dān)的縱向壓力從初期的不斷增大轉(zhuǎn)變?yōu)楹笃诘牟粩鄿p小，鋼管的作用從初期的主要為縱向受壓發(fā)展成后期的主要為環(huán)向受拉。普通鋼管混凝土與普通鋼筋混凝土柱或勁性骨架混凝土柱相比較，鋼管混凝土承載能力的增益正是發(fā)生在鋼管屈服后的塑流階段[64]，因鋼管對核心混凝土的套箍效應(yīng)而獲得。鋼管屈服并不意味著鋼管混凝土已經(jīng)喪失承載能力，在鋼管屈服后的塑流過程中，在鋼管和核心混凝土之間產(chǎn)生持續(xù)的內(nèi)力重分布，核心混凝土的套箍強(qiáng)化才得到持續(xù)充分的發(fā)展，從而使勁性骨架—鋼管混凝土的承載能力和變形能力得到明顯提高。根據(jù)極限狀態(tài)設(shè)計法關(guān)于承載能力極限狀態(tài)的規(guī)定，一律以勁性骨架－鋼管混凝土所能承受的“最大荷載”作為其“極限承載能力”。

4 結(jié)語

勁性骨架及鋼管混凝土組合柱墩是復(fù)雜的三維空間結(jié)構(gòu)，要完全準(zhǔn)確地計算出結(jié)構(gòu)在荷載作用下的應(yīng)力和變形是很困難的。目前大多數(shù)分析主要是利用通用有限元計算軟件，對勁性骨架及鋼管混凝土組合柱墩進(jìn)行理想化建模，，可為設(shè)計和施工提供參考依據(jù)。

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1007-6344（2017）05-0042-01