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        基于膨脹混凝土約束作用下懸索橋索塔力學(xué)性能研究

        2019-03-18 03:59:24何霽耀金子秋
        工程質(zhì)量 2019年2期
        關(guān)鍵詞:塔格索塔懸索橋

        何霽耀,金子秋

        (1.甘肅建投建設(shè)有限公司,甘肅 蘭州 730050;2.西部土木工程防災(zāi)減災(zāi)教育部工程研究中心,甘肅 蘭州 730050;3.蘭州理工大學(xué) 甘肅省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730050)

        0 引 言

        隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的繼續(xù)發(fā)展,大型橋梁在西部地區(qū)相繼興起。由于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)具有良好的力學(xué)性能[1],使得其在橋梁設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用。但隨著鋼管混凝土體積的增加,混凝土在鋼管內(nèi)部的收縮徐變效應(yīng)相應(yīng)增大,造成索塔各個(gè)構(gòu)件在內(nèi)力上進(jìn)行了重新分布[2],從而影響到整個(gè)索塔的受力狀態(tài)。國(guó)內(nèi)外專家就此問(wèn)題進(jìn)行了大量研究[3-6],但研究也局限在小尺寸構(gòu)件的試驗(yàn)研究及理論推導(dǎo)方面,對(duì)于大管徑鋼管混凝土構(gòu)件膨脹力學(xué)性能研究較少。本文就大型懸索橋選用大型鋼管膨脹混凝土后索塔的力學(xué)性能進(jìn)行了分析,為以后在橋梁設(shè)計(jì)時(shí)選用大型鋼管膨脹混凝土提供參考。

        1 工程概況

        1.1 機(jī)理分析

        在荷載的作用下,以空間結(jié)構(gòu)形式受力的懸索橋索塔會(huì)產(chǎn)生順橋及垂直橋向的內(nèi)力。索塔順橋向在施工階段及施工后受主要荷載影響不同,施工階段可以看作為一個(gè)上端自由、下端固定的柱式結(jié)構(gòu),主要受風(fēng)荷載及自重荷載作用;施工完成后,塔頂索塔水平方向的約束因主纜而增加,致使索塔上端出現(xiàn)水平彈性支撐,下端依然為固定形式,受力則變成主纜給予的豎向力與活載產(chǎn)生的水平力。懸索橋索塔受力特點(diǎn)如圖1所示。

        圖1 索塔受力示意圖

        1.2 工程概況

        甘肅某懸索橋?yàn)閱慰绾?jiǎn)支鋼桁加勁梁懸索橋。全長(zhǎng) 797 m,索塔設(shè)有 18 根灌注樁,樁徑為 2 m,樁長(zhǎng)為35 m,依照端承樁設(shè)計(jì)。塔柱鋼管材質(zhì) Q345-D,尺寸為:柱長(zhǎng) 3000 mm,柱徑 50 mm。屈服強(qiáng)度f(wàn)y=325 MPa,彈性模量Es=206 GPa。核心混凝土為 C40 膨脹混凝土。塔柱高 60.5 m(自承臺(tái)頂)。塔柱頂構(gòu)造示意圖如圖2所示。

        2 模型建立

        圖2 塔柱頂構(gòu)造示意圖(單位:mm)

        鋼管膨脹混凝土構(gòu)件受外加荷載能力由鋼管與核心膨脹混凝土的剛度比確定。若將鋼管與混凝土的粘結(jié)力忽略,則可將其認(rèn)為單向受壓構(gòu)件,故其本構(gòu)模型符合統(tǒng)一強(qiáng)度理論。

        2.1 本構(gòu)模型

        本文選用的本構(gòu)模型為鐘善桐教授提出的統(tǒng)一理論模型。鐘善桐教授[7]認(rèn)為鋼管混凝土在各種荷載作用下的工作性能隨材料的物理參數(shù)、幾何參數(shù)和截面形式及應(yīng)力狀態(tài)的改變而改變;變化時(shí)是相關(guān)的、連續(xù)的,計(jì)算方法也是統(tǒng)一的。其具體關(guān)系式如式(1)~(10)所示。

        其中:

        式中:σc為混凝土應(yīng)力,MPa;σu為混凝土極限應(yīng)力,MPa;εc為混凝土應(yīng)變;ε0為核心混凝土極限壓應(yīng)變;εt為應(yīng)變強(qiáng)度;fck為混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,MPa;fcu為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度,MPa;fy為鋼筋屈服點(diǎn),MPa;ξ為套箍系數(shù);As為鋼管截面面積,mm2;Ac為核心混凝土截面面積,mm2;α為含鋼率;K為彈性體積模量,N/mm2;p為緊箍力,N;A,B為反映鋼管和混凝土所起的作用系數(shù);

        鋼管三向應(yīng)力狀態(tài)的本構(gòu)關(guān)系關(guān)系如式(11)~(12)所示。

        式中:Es為鋼材彈性模量,N/mm2;us為鋼材泊松比;σθs,σzs為鋼管環(huán)向應(yīng)力與縱向應(yīng)力,MPa;εθs,εzs為鋼管環(huán)向應(yīng)變與縱向應(yīng)變;應(yīng)力強(qiáng)度σi,MPa,表達(dá)式如式(13)所示。

        2.2 荷載分析

        考慮橋梁活載主要受風(fēng)荷載及橋面人群及汽車等移動(dòng)荷載[8],將活載其分為 3 種組合:組合Ⅰ包含溫度、汽車、人群;組合Ⅱ包含溫度、汽車、人群、行車風(fēng)(26 m/s);組合 Ⅲ 包含溫度、百年風(fēng)。

        其荷載組合計(jì)算如表1所示,索塔施工階段荷載如表2所示。

        表1 索塔荷載組合計(jì)算結(jié)果表

        表2 索塔施工階段荷載表

        3 模型分析

        3.1 索塔格柵應(yīng)力分析

        由圖3 分析可知,索塔格柵處應(yīng)力集中區(qū)出現(xiàn)在頂面的加載區(qū)域,最大壓應(yīng)力 11.6 MPa。考慮偏心荷載作用,索塔格柵頂部鋼管混凝土處,相對(duì)于索鞍底部壓應(yīng)力區(qū)域,出現(xiàn)了應(yīng)力偏移現(xiàn)象。同時(shí)分析發(fā)現(xiàn),索塔格柵外邊緣處沒(méi)有出現(xiàn)約束現(xiàn)象,但由于受到鞍底部荷載作用,出現(xiàn)了 0.7 MPa 的拉應(yīng)力區(qū)。

        索塔格柵底部呈現(xiàn)出環(huán)形應(yīng)力現(xiàn)象,是由于鋼管剛度較核心區(qū)混凝土剛度大,造成其應(yīng)力值大于混凝土區(qū)域,從而使得索塔格柵底部呈現(xiàn)出環(huán)形應(yīng)力區(qū)。

        圖3 塔柵應(yīng)力分析圖

        3.2 索塔橫梁應(yīng)力分析

        對(duì)圖4 分析可知,索塔橫梁相當(dāng)于簡(jiǎn)支鋼桁加勁梁結(jié)構(gòu),對(duì)其進(jìn)行 Mises 應(yīng)力分析發(fā)現(xiàn),最大應(yīng)力出現(xiàn)在其兩端四角區(qū)域[見圖4(a)]。考慮塔柱的偏心效應(yīng),出現(xiàn)應(yīng)力不均勻現(xiàn)象,在索塔橫梁兩端 1.5 m 范圍內(nèi)壓應(yīng)力為 2 MPa 左右,其余部位呈現(xiàn) 4.5 MPa 的拉應(yīng)力[見圖4(a)];索塔橫梁在左端處底部及右端頂部區(qū)域出現(xiàn)Y方向最大拉應(yīng)力[見圖4(b)],但最大剪應(yīng)力出現(xiàn)區(qū)域卻與之相反,出現(xiàn)在索塔橫梁左端頂部與右端底部區(qū)域[見圖4(c)];橫梁Z方向由于為軸壓方向,受力較為均勻[見圖4(d)]。

        圖4 索塔橫梁應(yīng)力分析圖

        3.3 索塔整體應(yīng)力分析

        對(duì)圖5 分析發(fā)現(xiàn),索塔鋼管處最大豎向應(yīng)力出現(xiàn)在靠近橫梁兩端及第二層塔基上部區(qū)域。如圖5(a)所示,鋼管最大豎向位移出現(xiàn)在頂端 5 m 范圍內(nèi),約為 5 mm 左右;由圖5(b)、(c)可以看出Y向最大位移出現(xiàn)在左塔中上部位置,其值為 1.9 mm 左右??紤]偏心荷載及核心混凝土約束力的作用下,索塔底部出現(xiàn) 8.8 MPa的拉應(yīng)力[見圖5(d)]。同時(shí)分析發(fā)現(xiàn),加強(qiáng)環(huán)有利于減小混凝土膨脹應(yīng)力,在加強(qiáng)環(huán)區(qū)域,鋼管截面積增大,但應(yīng)力小于無(wú)加強(qiáng)環(huán)區(qū)域[見圖5(e)]。

        同時(shí)從圖5(b)、(f)分析可知,索塔最大軸向位移出現(xiàn)在鋼管頂部區(qū)域,索塔整體Y向位移則出現(xiàn)在左側(cè)索塔中上部區(qū)域。

        圖5 索塔整體應(yīng)力分析圖

        綜上分析,在核心混凝土膨脹約束作用下,索塔受到上部荷載作用時(shí),其索塔鋼管環(huán)向最大拉應(yīng)力達(dá)到 23.6 MPa,環(huán)向最大壓應(yīng)力達(dá)到 3.5 MPa。但若不考慮上部荷載作用,索塔鋼管環(huán)向最大拉應(yīng)力為 20 MPa 左右,由此可以得出,鋼管環(huán)向應(yīng)力受核心混凝土膨脹約束作用影響較大。

        4 結(jié) 論

        本文通過(guò)對(duì)甘肅某懸索橋鋼管膨脹混凝土索塔進(jìn)行分析研究,通過(guò)分析荷載最大值及最不利狀況下,索塔的極限承載力及各構(gòu)件的應(yīng)力分布、變形狀況得出如下結(jié)論。

        1)索塔格柵處應(yīng)力集中區(qū)出現(xiàn)在頂面的加載區(qū)域;

        2)橫梁最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在與左塔接觸的頂部及右塔接觸的底部區(qū)域;

        3)索塔塔柱鋼管最大豎向應(yīng)力出現(xiàn)在靠近橫梁上下端及第二層塔基上部區(qū)域。

        4)相較于上部荷載作用,膨脹混凝土的約束作用對(duì)鋼管軸向應(yīng)力作用更大。

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