钢管混凝土叠合柱式桥墩受力性能分析.pdf

钢 管 混 凝 土 叠 合 柱 式 桥 墩 受 力 性 能 分 析 曾彦 1, 曾 勇 2, 赵顺波1 (1. 华北水利水电学院土木与交通学院, 河南 郑州 450011; 2. 河南世纪博通工程咨询有限公司, 河南 郑州 450008) 摘要: 为减小桥墩阻水面积, 跨南水北调中线工程主干渠的大油村北桥 2 号墩墩身采用圆形钢管混凝土叠 合柱。采用有限元法进行计算分析, 研究叠合柱钢管壁厚与轴向应力比率、 弯曲应力比率、 抗剪应力比率和组合应 力比率、 荷载下位移及自振周期等因素的影响规律。结果表明, 叠合柱能以较小的直径满足既定承载能力的要求, 比普通混凝土桩柱式结构具有更好的经济性和抗震性能。 关键词: 桥墩;钢管混凝土结构; 叠合柱;承载力; 抗震;有限元法 中图分类号: U443. 22文献标志码: A文章编号:1671- 7767(2010) 02- 0052- 03 收稿日期5 作者简介 曾彦(), 女, 讲师,年毕业于武汉理工大学公路与城市道路专业, 工学学士,5 年毕业于武汉理工大学道路与铁道 工程专业, 工学硕士(zy6)。 1引言 钢管混凝土叠合柱是由中部钢管混凝土和钢管 外钢筋混凝土叠合而成的组合截面构件。在钢管内 灌注微膨胀混凝土, 以其自身膨胀抵消混凝土的收 缩, 且由于钢管的约束还能产生一定的压应力, 使内 填混凝土处于三向受压状态, 从而改善混凝土的强 度性能, 使钢管混凝土叠合柱具有承载力高、 塑性和 抗震性能好的优点。 将钢管混凝土叠合柱应用于桥梁下部结构中, 与常用的桩柱式结构比较, 具有如下特点: (1) 与相同断面、 荷载的钢筋混凝土柱比较, 用 钢量要少; 钢管混凝土提高了构件的抗剪能力, 容易 实现强剪弱弯。 (2) 具有良好的延性性能, 在动荷载尤其是地 震荷载作用下能通过自身变形耗散能量, 阻滞或延 缓桥梁结构的破坏。 (3) 整体施工进度较快, 柱内钢筋绑扎和定位 精度高。 (4) 可以明显地减小柱断面面积, 混凝土用量 则随之减少, 结构自重减轻, 建设能耗降低。 以跨越河北省永年县段内南水北调中线工程主 干渠的大油村北桥为例, 分析钢管混凝土叠合柱式 桥墩的受力性能。 2工程概况 大油村北桥位于南水北调中线工程主干渠河北 省永年县段内, 连接S211 省道。跨越主干渠的大油 村北桥上部结构选用(35+ 240+ 35) m 变截面预 应力混凝土连续箱梁, 标准桥面宽 13 m。箱梁跨中 梁高 1. 50 m、 支墩处梁高 2. 50 m。下部结构中 0 号、 4 号桥台采用肋板式结构, 1 号、 3 号墩采用桩接 承台双柱式桥墩, 柱高 5 m, 2 号墩采用桩接承台独 柱式桥墩, 柱高 8. 5 m。 该桥荷载等级为公路-级, 桥梁纵断面位于 R= 8 000 m、 T= 240 m、 E= 3. 6 m 凸形竖曲线, 变 坡点设于桥梁中点桩号处。为与原有道路顺畅连 接, 桥梁中心线与渠道水流方向夹角为 26!。桥梁 立面布置示意见图 1。 图 1大油村北桥立面布置示意 为满足水利部门严格要求的桥梁墩柱阻水面积 不超过过水断面面积 5% 的规定, 渠底 2 号墩避开 桥梁常规设计中多用的钢筋混凝土柱, 而考虑采用 相同承载力要求下可明显减小柱断面面积的钢管混 凝土叠合柱, 其构造示意见图 2。 3桥墩截面承载力计算 采用大型通用有限元计算软件 MIDAS/ Civil 2006 建立全桥模型, 见图 3。桥梁上部结构采用空 间梁单元模拟, 共划分为 152 个单元, 1 号、 3 号墩均 52世界桥梁 2010 年第 2 期 : 2009- 01- 1 :1978-2002200 E mail:80042sina. com 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图 2钢管混凝土叠合柱截面 采用梁单元, 为便于比较普通钢筋混凝土桥墩( 设计 直径采用 1. 8 m)与钢管混凝土叠合柱桥墩( 设计直 径采用 1. 6 m)的承载性能, 分别建立 2 号墩 2 种不 同形式的计算模型, 钢筋混凝土桥墩采用梁单元模 拟, 叠合柱截面采用组合截面模拟。上部结构桥面 系的刚度(竖向、 横向挠曲刚度和扭转刚度)和质量 (平动质量和转动惯量) 都集中在中间节点上, 节点 和桥墩之间处理为主从关系; 2 号墩支座和主梁在 顺桥向、 横桥向、 竖向采用主从约束, 其余各支座按 实际抗压与抗弯刚度, 采用理想弹塑性连接单元模 拟, 承台底采用固结形式。 图 3全桥结构模型 3. 1普通钢筋混凝土桥墩承载力 计算采用的普通钢筋混凝土柱混凝土强度等级 为 C30, 轴压比按 0. 8 控制, 选取直径为 1. 8 m 的单 柱, 经计算需配 36B28 钢筋, 箍筋采用 A10, 箍筋间 距取 0. 2 m。当配有箍筋时, 钢筋混凝土轴心受压 构件正截面抗压承载力计算 1 采用下式: 0Nd0. 90 (fcdA+ f#sdA#s)(1) 式中, 0为重要性系数, 根据规范要求0= 1. 0; Nd 为轴向力组合设计值;为轴压构件稳定系数, 取 = 1. 0; A 为构件毛截面面积; A#s为全部纵向钢筋的 截面面积; fcd和 f#sd分别为混凝土轴心抗压强度设 计值和钢筋抗压强度设计值。 根据式( 1)计算得到钢筋混凝土柱轴向力组合 设计值, 即正截面承载力为 37 502. 2 kN。 3. 2钢管混凝土叠合柱桥墩承载力 计算采用的钢管混凝土叠合柱桥墩叠合柱外径 为 1. 60 m, 钢管外径为 1. 0 m, 钢管壁厚为 16 mm, 材质为 Q235钢, 管内灌注 C30 微膨胀混凝土, 其轴 心受压承载力可由下式计算 2 : N=f(+)( ) 式中, N为钢管混凝土叠合柱轴心受压承载力; 为考虑长细比影响后, 钢管混凝土柱轴心受压承载 力的折减系数, 取1= 1. 0;为钢管混凝土的套箍 指标, = fsAs/ fccAcc, fs为钢管钢材抗压、 抗拉和 抗弯强度设计值; As为钢管的截面面积; Acc为核心 混凝土毛截面面积; fcc为核心混凝土轴心抗压强度 设计值。 通过计算, 钢管混凝土叠合柱轴心受压承载力 (Nu)为 29 280. 94 kN, 约束增强系数为 1. 41, 即核 心钢管混凝土轴压承载力是钢管和混凝土承载力单 独相加之和的 1. 41 倍。外围普通混凝土的正截面 承载力 1 Nco为18 933. 89 kN, 则整个截面的轴压承 载力为 48 214. 83 kN。 3. 3承载力对比 钢管混凝土由于钢管对内填微膨胀混凝土的套 箍作用, 使混凝土在有侧限条件下受压。由上述计 算的直径 1. 8 m 普通钢筋混凝土柱与直径 1. 6 m 的叠合柱承载力数值可知, 采用叠合柱时承载力明 显提高。同时, 对直径为 1. 6 m 的钢筋混凝土柱与 上述直径为 1. 6 m 的钢管混凝土叠合柱进行比较, 可知在采用相同直径钢管混凝土叠合柱, 且配有相 同的普通钢筋时, 其轴压承载力是普通钢筋混凝土 柱的 1. 92 倍。 4桥梁结构抗震计算 对该桥梁结构模型进行抗震分析, 取地震动峰 值加速度为 0. 10g, 相应地震基本烈度为 7 度, 按 8 度设防, 按参考文献 3 进行反应谱分析。由于桥 墩为桩接承台形式, 所以对各桥墩柱底采用固结处 理, 刚度偏大, 在动荷载作用下结构验算是偏于安 全的。 4. 1钢管壁厚对容许应力的影响 首先采用容许应力设计 4 对 2号墩钢管混凝土 叠合柱进行抗震分析。2 号墩柱采用相同外径(1. 6 m)、 钢管直径( 1. 0 m), 不同钢管壁厚的情况下, 根 据参考文献 5 进行荷载工况组合, 在最不利组合 (1. 2 恒载+ 1. 3 顺桥向水平地震力)作用下, 桥墩根 部(最不利位置)钢管壁厚与容许应力比率的关系见 图 4。 由图 4 可知, 当桥墩为钢筋混凝土柱时( 当钢管 壁厚为 0 时, 此时即为钢筋混凝土柱), 其轴向应力 比率为 0. 833小于 1. 0, 能满足承载能力要求, 但其 弯曲应力比率与抗剪应力比率却远大于 1. 0, 不能 满足桥梁结构抗震设计要求。采用钢管混凝土叠合 柱, 且管壁厚为 5时, 其抗剪应力比率明显减 小, 其弯曲应力比率减小也非常显著; 随钢管壁厚的 53 钢管混凝土叠合柱式桥墩受力性能分析曾彦, 曾勇, 赵顺波 u1ccAcc11. 82 u1mm 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图 4容许应力比率与叠合柱钢管壁厚关系 增加, 弯曲应力对组合应力比率的影响最为突出, 轴 压应力呈直线减小, 但较为缓慢。由此可见, 该设计 钢管混凝土壁厚采用 16 mm 是较理想的设计, 此 时, 钢管混凝土叠合柱的抗剪能力得到充分的体现, 其抗弯能力也较钢筋混凝土柱强得多。 4. 2钢管直径对容许应力的影响 该桥采用钢管壁厚为 16 mm 的钢管混凝土叠 合柱, 满足参考文献2规定的外围混凝土的轴向刚 度 K0(K0= 0. 366)介于 0. 2 0. 4 之间的要求。 在钢管混凝土叠合柱直径为 1. 6 m 和钢管壁 厚不变的条件下, 改变钢管的直径, 得到相同抗震设 计条件下钢管直径与应力关系的比率见图 5。 图 5容许应力比率与叠合柱钢管直径关系 由图 5可知, 在不改变叠合柱直径的情况下, 钢 管的直径增大将有利于叠合柱整体性能的提高, 同 时弯曲应力比率明显降低, 提高了叠合柱的承载能 力, 且柱的抗弯性能明显增强, 对整个桥梁的抗侧移 刚度有很大的贡献。因而, 在桥墩直径受到一定限 制的时候, 可以考虑采用钢管混凝土叠合柱并适当 增大钢管的直径, 将亦能达到同样的抗震效果。 4. 3钢管壁厚对自振周期及水平地震位移的影响 钢管壁厚与自振周期、 水平地震位移的关系曲 线见图 6、 图 。 由图 6和图可知, 随着钢管壁厚增加, 桥梁的 图 6自振周期与钢管壁厚关系 图 7水平地震位移与钢管壁厚关系 抗侧移刚度就越大, 自振周期越短 5 , 墩底地震水平 力由 106. 1 kN 增大至 112. 9 kN, 但其在地震力作 用下的水平位移却由2. 290 mm 下降为 2. 149 mm。 因此可知提高桥梁的抗侧移刚度, 可以减小桥梁侧 移, 减轻地震灾害的损失, 但桥梁结构的刚度大, 要 求桥梁具有较大抗地震反应对应的较高的水平抗 力 6 , 钢管混凝土叠合柱恰好适用这一要求, 因而在 桥梁结构中使用钢管混凝土叠合柱能很好地增强桥 梁抗震性能。 所以在地震烈度大或在桥梁重要性设防要求高 的情况下, 可考虑采用合适钢管壁厚的钢管混凝土 叠合柱, 利用其较好延性性能, 通过自身变形耗散地 震能量, 起到减震的作用。 5结论 为满足设计多方面要求, 大油村北桥 2 号墩采 用了钢管混凝土叠合柱, 不仅有效地减小了墩身的 构造尺寸从而达到减小阻水面积的目的, 同时也很 好地满足结构设计的合理、 安全、 可靠和美观要求。 通过计算分析, 得出如下结论: (1) 在其它条件相同的情况下, 叠合柱轴压承 载力比普通钢筋混凝土柱的承载力明显提高。 ( ) 钢管混凝土叠合柱的抗剪能力得到充分的 体现, 其抗弯能力也较钢筋混凝土柱强得多, 水平力 (下转第 5 页) 54世界桥梁 2010 年第 2 期 7 7 2 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m spectively determined. The results of the tests indicate that the optimal usage of the binding ma terial increases with rich degrees of the surface textures of the deck slabs and the usage amount of the binding materials at the aggregate exposed deck is fairly great. For the three kinds of the sur face textures, the interlayer shearing strength of the acrylic resin type binding material under normal temperature is greater than that of the SBS modified asphalt and SBR modified emulsified asphalt. For the same kind of the binding materials, the interlayer shearing strength of the mate rials at the aggregate exposed deck is the greatest and the temperatures have significant influence on the interlayer shearing strength. At the time the testing temperature rises from 25!C to 60! C, the interlayer shearing strength of the three kinds of the surface textures will greatly de crease, however, the sensitivity of the interlayer shearing strength at the aggregate exposed deck changing with temperatures is little. Key words: deck pavement; concrete; waterproof binding material; surface texture; optimal usage; interlayer shearing strength (上接第 54页) 较大时较常规桩柱式墩柱有更好的受荷性能。 (3) 在可能的情况下, 可以通过增加钢管壁的 厚度, 减少地震时由于地震能量大导致的上、 下部结 构脱离的破坏情况, 将灾害降低至最低程度。 (4) 钢管混凝土叠合柱计算方法有待通过试验 进一步完善、 验证。 参考文献: 1 JTG D62- 2004, 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵 设计规范S . 2 CECS 20188- 2005, 钢管混凝土叠合柱结构技术规程 S . 3 JTJ 004- 89, 公路工程抗震设计规范S . 4 SSRC79, 美国 SSRC 的容许应力设计 S. 5 丰定国, 王社良. 抗震结构设计 M . 武汉:武汉工业大 学出版社, 2001. 6 范立础. 桥梁延性抗震设计 M . 北京: 人民交通出版 社, 2001. Analysis of Mechanical Behavior of CFST and Concrete Composite Column Pier ZENG Y an1, ZENG Y ong 2, ZHAOShun bo1 ( 1. College of Civil and T ransportation Engineering, North China Institute of Water Conservancy and Electric Power, Zhengzhou 450011, China; 2. Henan Shiji Botong Engineering Consulting Co., Ltd., Zhengzhou 450008, China) Abstract: To reduce the water resistance area of bridge pier, the intermediate pier of the Dayoucun North Bridge crossing the trunk cannel of the Central Line of the South to North Water Diversion Project was designed as a circular concrete filled steel tube ( CFST) and concrete com posite column pier. The finite element method was used to calculate, analyze and study the influ ential laws of several factors like the steel tube wall thickness and axial stress ratio, bending stress ratio, shear stress ratio, combined stress ratio, displacement under loading and natural vi bration cycle of the composite column pier. The results of the study show that the composite col umn pier can meet the existing load bearing capacity requirement just with small diameter and has better economy and seismic resistance performance than those of the common concrete pile column K y;f; y; f 58世界桥梁 2010 年第 2 期 pier. e words: pierconcrete illed steel tube structure composite columnload bearing capaci tseismic resistanceinite element method 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m