崔龍龍, 汪 蓮

(合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院，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 土木與水利工程學院，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為研究背景，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。結果表明：脫空比和脫空率對拱肋的應力和撓度影響較小，含鋼率對脫空后的拱橋的影響較大，施工中應嚴格控制核心混凝土的密實度，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

大量工程實踐表明,鋼管和混凝土之間經常出現(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、溫度變化等非質量原因引起的二者粘結力的喪失,可稱之為脫粘[2]。

在施工過程中因混凝土配合比設計不當、混凝土泵送不到位、注漿口及排氣口設置不當?shù)仍驎斐苫炷凉袄呙摽誟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、含鋼率對拱肋應力和拱肋撓度的變化。為啞鈴型鋼管混凝土拱橋的設計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]。二者表達式為

(1)

(2)

其中,l'為脫空段水平投影長度,l為拱肋計算跨度,其余符號含義見圖(2)b。根據(1)式,脫空率ψ分別為0、5%、10%、15%時對應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)合截面功能實現(xiàn),同一截面上鋼管和混凝土通過共節(jié)點實現(xiàn)二者的變形協(xié)調,無相對滑移[7]。

(2) 加載過程中截面始終保持平面[8]。

(3) 忽略剪應力和剪應變的影響[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

計算模型共有梁單元734個,桁架單元34個,板單元192個,實體單元2 192個,節(jié)點數(shù)558個。全橋空間有限元模型如圖3所示。

圖3 橋梁有限元模型

3 有限元分析結果

3.1 脫空率

采用承載能力極限狀態(tài)下作用效應組合,荷載工況為恒載+汽車荷載+人群荷載+汽車制動力[10]。當ρ=1,ψ=0、5%、10%、15%時,鋼管軸向應力變化如圖4所示,拱肋撓度變化如圖5所示。

圖4 ρ=1 鋼管節(jié)點-應力曲線

由圖4知,脫空率不會改變鋼管軸向應力的變化趨勢,隨著脫空率的增加,鋼管軸向應力基本呈線性增長,均處于彈性工作階段。ρ=1,ψ=5%、10%、15%時,鋼管軸向應力增加約4%、7.5%、12%。這是因為鋼管和混凝土共同承受外荷載,當混凝土剛度降低時,鋼管承受大部分的荷載,造成脫空段鋼管應力增加。由圖5知,脫空率對拱肋撓度影響較小,當ρ=1,ψ=15%時,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。

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

圖6 ψ=15%鋼管節(jié)點-應力曲線

圖7 ψ=15%拱肋節(jié)點-撓度曲線

由圖6知,隨著脫空比的增加,鋼管軸向應力增加,且集中在脫空區(qū)段,對于無脫空區(qū)段,鋼管應力變化微小。ρ≤1/2時,鋼管軸向應力增加較快。當ρ=1/2時,拱頂至拱頂兩側1/4范圍內,鋼管應力由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,核心混凝土脫空對拱肋的撓度影響較小,這是因為,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+汽車制動力,當ψ=15%,ρ=1時,鋼管軸向應力變化如圖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-應力曲線

圖9 ρ=1、ψ=15%拱肋節(jié)點-撓度曲線

由圖8、圖9知,αs的降低使得鋼管軸向應力、拱肋撓度顯著增加,αs=5%時,鋼管最大應力增加29%,拱肋最大撓度增加31%,可見脫空后的拱肋應力與撓度,對含鋼率的變化更為敏感。這是因為鋼管對拱肋剛度的貢獻較大,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 論

(1) 隨著脫空率的增加,鋼管軸向應力基本呈線性增長,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,鋼管應力也隨之增加,且脫空比達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年安徽省質量工程——教學研究項目：“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)模式研究與實踐”(省級一般)項目編號(2015年jyxm020)

崔龍龍(1988-)，男，安徽宿州人，合肥工業(yè)大學碩士生．

U448.22

A

1673-5781(2016)05-0696-03