鋼管混凝土應(yīng)力及極限承載能力的計算分析

陳曉暉 李明樾 洪星架

摘要：文章對鋼管混凝土中鋼管-混凝土的應(yīng)力及極限承載能力進行了研究，并提出了新的計算方法，所采用的公式更簡潔，計算參數(shù)更少，各參數(shù)的物理意義更明確，還能對鋼管與核心混凝土各階段的應(yīng)力和應(yīng)變進行分析，結(jié)果更豐富，適合推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土;應(yīng)力;極限承載能力

0 引言

隨著鋼管混凝土的應(yīng)用越來越廣泛，對鋼管混凝土中鋼管-混凝土的應(yīng)力及極限承載能力的分析計算也提出了更高的要求。本文研究提出了一種新的計算方法，與文獻[1]鐘善桐提出的計算公式和驗算方法相比較，其結(jié)果很相近，但采用的公式和參數(shù)更為簡潔且計算結(jié)果更豐富。此方法在馬灘紅水河特大橋鋼管混凝土拱肋設(shè)計中進行應(yīng)用驗證，得出的結(jié)果十分理想，具有推廣的價值。

1 鋼管-混凝土的應(yīng)力及極限承載能力分析計算

鋼管混凝土的極限承載能力能否顯著提高，與鋼管對混凝土的約束有很大的關(guān)系。在鋼管混凝土中，核心混凝土的泊松比大于鋼管的泊松比，因此它們的內(nèi)部變形是不同步的。當(dāng)軸向荷載同時作用于鋼管與混凝土?xí)r，產(chǎn)生的強制鋼管混凝土軸向變形相同，此時鋼管的剛度足夠，在混凝土破壞前鋼管不會發(fā)生屈服破壞，其泊松比不變。后續(xù)在不斷加大的軸向壓縮荷載作用下，核心混凝土與鋼管按相同的橫向變形速率產(chǎn)生變形，此時鋼管受到核心混凝土的擠壓，橫向變形速率增大，鋼管對混凝土的約束作用達到彈性極限。如果繼續(xù)增加壓縮荷載，鋼管和混凝土的泊松比按相協(xié)調(diào)的速率增大，當(dāng)鋼管的泊松比達到0.5時，核心混凝土的泊松比也同時達到0.5，鋼管混凝土的承載能力達到塑性極限。再繼續(xù)增加荷載時，鋼管屈服后會發(fā)生塑性流動，失去對混凝土的約束，核心混凝土的裂縫擴展，導(dǎo)致核心混凝土和鋼管快速破壞。

1.2 鋼管混凝土的極限承載力計算應(yīng)用

在馬灘紅水河特大橋鋼管混凝土拱肋設(shè)計中，運用了新計算公式，試件中混凝土的抗壓強度為C50，軸心抗壓強度為38.75 MPa，軸心抗拉強度為3.41 MPa，拉壓強度比α=0.087 9，泊松比νh=0.176。鋼管直徑D=1 200 mm，壁厚t=28 mm，鋼管面積率ρg=0.087 2。鋼管采用Q235鋼板，屈服強度fsg=375 MPa，破壞強度fpg=460 MPa。混凝土達到軸心抗壓強度時，鋼管混凝土開始出現(xiàn)第一屈服點，鋼管的軸向應(yīng)力σgz=247.91 MPa，鋼管混凝土的軸向應(yīng)變εz=0.096 1%，鋼管混凝土的第一屈服點應(yīng)力σsz1=56.98 MPa;鋼管應(yīng)力達到材料屈服強度，鋼管混凝土出現(xiàn)第二屈服點，其計算應(yīng)力σsz1=68.06 MPa;鋼管應(yīng)力達到材料破壞強度時，鋼管混凝土達到破壞強度，計算破壞強度σpz=75.48 MPa。相同鋼管面積率時，改變鋼管直徑和厚度，其他條件不變，計算結(jié)果不出現(xiàn)尺寸效應(yīng)。

為與室內(nèi)試驗相比較，混凝土的強度應(yīng)采用實際抗壓強度。例如工地上配制的C50鋼管混凝土，混凝土的實際抗壓強度為80 MPa，對于直徑為1 200 mm，厚28 mm的鋼管，特征點的應(yīng)力分別為σsz1=97.54 MPa，σsz2=96.54 MPa和σsz3=104.44 MPa;對于直徑為150 mm，厚3.5 mm的鋼管混凝土試件，特征點的應(yīng)力分別為σsz1=95.76 MPa，σsz2=94.77 MPa和σsz3=102.18 MPa。兩者有微小差別，與大尺寸鋼管中混凝土的剛度較大有關(guān)。

2 結(jié)語

從以上分析及計算結(jié)果可看出，本研究所用的計算方法，除采用彈性本構(gòu)關(guān)系外，并沒有引入其他新的假設(shè)，得到的鋼管混凝土屈服應(yīng)力和破壞強度與已有的試驗研究結(jié)果相符。與已有結(jié)果相比，本研究提出的計算方法，公式更簡潔，所采用的計算參數(shù)更少，各參數(shù)的物理意義更明確，還能對鋼管與核心混凝土各階段的應(yīng)力和應(yīng)變進行分析，結(jié)果更豐富。將該計算方法推廣應(yīng)用，可以將鋼管混凝土應(yīng)力及極限承載力的理論研究推進一大步。

參考文獻：

[1]鐘善桐.鋼管混凝土統(tǒng)一理論研究與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[2]陳寶春.鋼管混凝土拱橋[M].北京：人民交通出版社，2016.

[3]韓林海，陶 忠，王文達.現(xiàn)代組合結(jié)構(gòu)和混合結(jié)構(gòu)-試驗、理論和方法[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

[4]GB50923-2013，鋼管混凝土拱橋技術(shù)規(guī)范[S].

收稿日期：2020-06-10