鋼管混凝土桁架脫空影響分析

侯 寧

(林同棪國際工程咨詢(中國)有限公司，重慶 401121)

0 引 言

鋼管混凝土具有承壓性能好的優(yōu)點，廣泛的用于以受壓為主的拱肋、橋墩、橋塔等結(jié)構(gòu)中。桁架結(jié)構(gòu)中的桿件同樣以軸向軸力為主，因此將鋼管混凝土結(jié)構(gòu)用于桁架中，可以充分發(fā)揮其結(jié)構(gòu)特點，提高桁架的抗彎剛度和抗彎承載力[1]。對于鋼管混凝土桁架，國內(nèi)外學者[2，3]進行了一系列試驗和理論研究。雒建哲[4]探討了鋼管混凝土桁架的設(shè)計方法，劉永健[5]則對實際工程中的鋼管混凝土組合桁梁橋進行了試驗研究。Huang[6]采用試驗研究的方法分析了管內(nèi)混凝土脫空對抗彎性能帶來的影響。陳寶春[7-9]對不同腹桿布置的桁架承載力進行了試驗研究，韓林海[10，11]則提出了適用于鋼管混凝土的管內(nèi)混凝土本構(gòu)關(guān)系。

1 鋼管混凝土脫空

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)承壓性能的優(yōu)勢在于其套箍作用的充分發(fā)揮。當鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在受壓狀態(tài)下達到塑性階段時，由于混凝土的側(cè)向膨脹，鋼-混界面之間出現(xiàn)了擠壓力，進而產(chǎn)生了套箍效應(yīng)。但在實際工程中，由于桁架結(jié)構(gòu)的尺寸較大，通常先行架設(shè)桁架結(jié)構(gòu)，再進行管內(nèi)混凝土的施工。用于橋梁工程中的桁架通常水平放置，提高了管內(nèi)混凝土的施工的難度。桁架管內(nèi)混凝土的施工密實程度可能得不到有效的保證。同時施工完成后的混凝土還會發(fā)生收縮徐變，這也會導(dǎo)致桁架桿件內(nèi)的混凝土出現(xiàn)部分的脫空現(xiàn)象，影響鋼管混凝土結(jié)構(gòu)性能的充分發(fā)揮。

2 有限元模擬分析

采用有限元分析軟件ABAQUS建立了實體與板殼相結(jié)合的高精度鋼管混凝土桁架有限元模型，對存在脫空現(xiàn)象的鋼管混凝土桁架進行了有限元的力學性能分析對比。

2.1 工程背景

參考汶川克馬大橋為工程背景，建立有限元模型進行分析?？笋R大橋為鋼管混凝土組合桁梁簡支梁橋，橫斷面采用了矩形斷面。為便于有限元分析，選取了單片桁架進行建模。為便于直觀的分析混凝土脫空的影響，僅建立了桁架模型，并適當加大了上弦桿截面以便于施加荷載。

用于算例分析的組合桁梁跨徑為30 m，桁高3.5 m，高跨比為1/8.6。腹桿采用三角形的Warren桁架布置，傾角為60°。桁架上弦桿外徑500 mm，壁厚15 mm，下弦桿外徑570 mm，壁厚20 mm。斜腹桿外徑為402 mm，壁厚為16 mm，豎腹桿外徑為420 mm，壁厚20 mm。上弦節(jié)點的支主管寬度比為0.8，下弦節(jié)點的支主管寬度比為0.6。K型節(jié)點間隙為200 mm。上、下弦桿內(nèi)填混凝土，腹桿則采用空鋼管結(jié)構(gòu)。組合桁梁截面尺寸如圖1所示。

圖1 組合鋼桁梁示意(單位：mm)

2.2 有限元模型

采用ABAQUS建立鋼板組合梁的實體與板殼結(jié)合的精細化分析有限元模型。鋼桁架采用殼單元S4R建立，管內(nèi)混凝土采用C3D8R實體單元建立。鋼桁梁下弦桿兩端施加簡支的邊界條件。管內(nèi)混凝土和鋼管內(nèi)壁界面施加接觸的相互關(guān)系，摩擦系數(shù)μ=0.6。管內(nèi)混凝土網(wǎng)格尺寸為80 mm，并在橫斷面的法向進行了局部加密，保證了模擬精度。鋼桁架單元網(wǎng)格尺寸同樣為80 mm。本文僅對桁架在正常使用極限狀態(tài)下的力學性能進行分析，因此僅建立了彈性模型。鋼材等級為Q345，彈性模量按206 000 MPa計取，泊松比為0.283?；炷翗颂枮镃40彈性模量按34 500 MPa計取，泊松比為0.167。

為考慮管內(nèi)混凝土的脫空作用，一共建立了3片桁架試件。由于試件水平放置后，上、下弦桿灌注混凝土的施工及養(yǎng)護條件相似，因此采用削弱管內(nèi)混凝土頂緣截面面積的方式來模擬混凝土的脫空作用。其中試件A用于脫空作用的對比，其弦桿內(nèi)混凝土未發(fā)生脫空，桿件截面為密實截面；試件B為管內(nèi)混凝土發(fā)生了部分脫空現(xiàn)象，脫空后的管內(nèi)混凝土的截面高度為試件A的80%；試件C為管內(nèi)混凝土發(fā)生了較為嚴重的脫空現(xiàn)象，脫空后的管內(nèi)混凝土的截面高度為試件A的60%。試件采用跨中節(jié)點荷載的方式進行加載，施加荷載大小為100 t。試件A、B、C的的有限元模型如圖2所示。

圖2 考慮脫空的鋼桁梁ABAQUS有限元模型

2.3 結(jié)果分析

圖3給出了試件A～C的應(yīng)力分布云圖。由圖3可得，試件A的整體應(yīng)力水平較小，而試件B、試件C的應(yīng)力水平較大。其中試件B、C的跨中下弦桿的軸向應(yīng)力對比試件A分別提高了7%和10%。上弦桿的最大應(yīng)力則分別提高了11%和15%，斜腹桿的最大應(yīng)力分別提高了15%和22%。由此可得即使出現(xiàn)了較小的脫空現(xiàn)象，對于桁架桿件的應(yīng)力水平的影響較為顯著。圖3同時還給出了不同試件中管內(nèi)混凝土的應(yīng)力云圖。由圖3可得隨著管內(nèi)混凝土脫空程度的不同，混凝土的受力模式差別不大，均為跨中應(yīng)力較大而兩端較小。其中試件B的下弦桿內(nèi)混凝土則在節(jié)點處出現(xiàn)了較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，而試件A和C中該現(xiàn)象并不顯著。

圖3 不同試件應(yīng)力云圖對比

將圖3中的應(yīng)力云圖中的數(shù)據(jù)進行提取，并進行橫向的對比，可得圖4不同試件桁架桿件的軸向應(yīng)力比以及圖5不同試件的管內(nèi)混凝土軸向應(yīng)力比。

圖4 不同試件桿件應(yīng)力比

由圖4可得，隨著管內(nèi)混凝土脫空程度的提高，鋼管桁架桿件的整體應(yīng)力水平也隨之提高。管內(nèi)混凝土脫空程度最大的試件C的上下弦桿和腹桿的應(yīng)力水平在3個試件中均為最大值。管內(nèi)混凝土脫空程度較小的試件B的桿件應(yīng)力水平也均大于未發(fā)生脫空的試件A。因此由圖4可得，管內(nèi)混凝土的脫空會直接導(dǎo)致鋼管桁架應(yīng)力水平的提高。

在豎向加載時，上弦桿內(nèi)混凝土受壓，下弦桿內(nèi)混凝土受拉。由圖5可得隨著脫空程度的提高，上弦桿內(nèi)混凝土的應(yīng)力水平呈上升趨勢。試件B和試件C相對于試件A的上弦桿內(nèi)混凝土應(yīng)力水平分別提升了10%和13%。但對于下弦桿，隨著管內(nèi)混凝土脫空程度的提高，應(yīng)力水平反而有下降的趨勢，且下降幅度較為明顯。試件B和試件C相對于試件A的下弦桿內(nèi)混凝土的應(yīng)力水平下降幅度分別為36%和39%。這與上弦桿的加載模式也存在一定關(guān)系。

圖5 不同試件管內(nèi)混凝土應(yīng)力比

圖6給出不同試件的變形圖。由圖可得，管內(nèi)混凝土的脫空并未改變試件的撓曲線形狀，但撓曲線的幅值發(fā)生了改變。對于試件A來說其跨中最大撓度僅為3 mm左右。對于試件B和試件C的跨中最大撓度得到了顯著增加，分別達到了8 mm和9 mm左右。由此可得管內(nèi)混凝土的脫空現(xiàn)象對于鋼管桁架的剛度影響較為顯著。而不同的脫空程度下，桁架的撓度曲線變化則并不明顯。因此在鋼管混凝土施工階段，應(yīng)密切關(guān)注管內(nèi)混凝土的施工質(zhì)量，并在施工完成后進行檢驗，在可能出現(xiàn)脫空的區(qū)域還應(yīng)采取二次灌注等方法進行處理，保證鋼管混凝土桁架的力學性能達到設(shè)計要求。

圖6 不同試件撓曲線對比

3 結(jié) 論

對受管內(nèi)混凝土脫空影響的鋼管混凝土桁架的抗彎性能進行了有限元研究。提出了管內(nèi)混凝土脫空的ABAQUS有限元模型模擬方法，采用了削弱管內(nèi)混凝土截面面積的方法來考慮水平放置桁架管內(nèi)混凝土的脫空情況，并根據(jù)不同的脫空模式設(shè)置了不同的截面面積削弱程度。

根據(jù)有限元分析結(jié)果，提取了不同試件的桁架應(yīng)力云圖和管內(nèi)混凝土的應(yīng)力分布云圖，根據(jù)計算結(jié)果提取了桁架不同桿件以及管內(nèi)混凝土的不同脫空程度試件的應(yīng)力比值進行對比分析。結(jié)果表明弦桿內(nèi)混凝土脫空可增大鋼管的軸向應(yīng)力，其軸向應(yīng)力的變化幅度與管內(nèi)混凝土的脫空程度相關(guān)。隨著脫空程度的提高，上弦桿內(nèi)混凝土的應(yīng)力水平呈上升趨勢。但對于下弦桿，隨著管內(nèi)混凝土脫空程度的提高，應(yīng)力水平反而有下降的趨勢，且下降幅度較為明顯。這與上弦桿的加載模式也存在一定關(guān)系。

鋼管混凝土桁架抗彎剛度受管內(nèi)混凝土脫空的影響顯著，在鋼管混凝土施工階段，應(yīng)密切關(guān)注管內(nèi)混凝土的施工質(zhì)量，并在施工完成后進行檢驗，在可能出現(xiàn)脫空的區(qū)域還應(yīng)采取二次灌注等方法進行處理，保證鋼管混凝土桁架的力學性能達到設(shè)計要求。