钢管混凝土连续桁架梁骨架空间分析.pdf

2 0 1 3年第 4期 西南公路 XI N AN GO NG L U 钢管混凝土连续桁 架梁骨架 空间分析 蒋建军 牟廷敏 ( 四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院四川成都 6 1 0 0 4 1) 【 摘要 】钢管混凝土连续桁架梁由钢管混凝土下弦杆与上弦杆、钢管腹杆、横向连接 角钢、端横梁、 预应力混凝土桥面板等组成，施工阶段和运营阶段骨架的受力状况是设计的重点。采用钢管混凝土制成的下 弦杆和上弦杆的应力计算是空间分析的难点，根据不同的阶段，在空间分析模型中需要对下弦杆和纵向上弦 杆 采用不同的材料特性和截 面特性进行模拟 。 【 关键词 】 钢管混凝土；连续桁架梁；骨架；空间分析 【 中图分类号 】U 4 4 8 2 1 5 【 文献标识码 】 A 钢管混凝土具有强度高 、重量轻 、塑性好 、耐 疲劳、耐冲击 、便于施工、抗震性能好等特点 ，因 此得到各行业的大力推广 。 钢管混凝土结构的基本原理有两点： (1 )借助 内填 混凝土来增强钢管 壁的稳定 性 ； ( 2)借 助钢 管对 核心 昆 凝 土 的套箍 作用 ，使 核心混凝土处于三向受压状态 ，从而使核心混凝土 具有更高的抗压强度和抗变形能力 。 钢管混凝土结构多用作轴心受压构件和小偏心 受压构件 ，当偏心较大时一般设计成格构式，将弯 矩转化成轴力。钢管混凝土在国内广泛应用在拱式 结构体系上，1 9 9 1 年以来 ，将钢管混凝土先后应用 于悬索桥主梁及索塔、斜拉桥主梁、连续刚构主梁 等。如主跨 2 4 5 m盐边观音岩鳃鱼大桥 ( 悬索桥 )、 主跨 2 1 0 m巫 山大 宁河 泰 昌大 桥 ( 悬 索桥 )、主 跨 1 4 0 m广东南海紫洞大桥 ( 斜拉桥 )、主跨 1 4 0 m重 庆万安大桥 ( 斜拉桥 )、主跨 1 2 0 m重庆万州大桥 ( 连续刚构桥 ) 。 1 钢管混凝土连续桁架梁设计 钢管混凝土连续桁架梁由钢管混凝土下弦杆与 上弦杆 、钢管腹杆 、横 向连接角钢 、端横梁 、预应 力混凝土桥面板等组成 ( 见图 1 和图2)。 4 2 0 0 叫 一 一 图 1 钢管砼连 续桁架梁的一般 断面图 图 2 钢管砼连续桁架 梁端横 梁处断 面图 以四川省雅 安经石 棉至 泸沽高 速公路拖 乌河 一 号特大桥方案技术设计为例 ，介绍钢管混凝土连续 桁架 梁 的构 造 。拖 乌河一 号特大 桥采用 多跨连 续结 构 ，孔跨布置含7 跨一联和9 跨一联 ，各两联。主梁 标 准 跨 径 为 4 6 7 5 m，梁 高 4 4 m，半 幅 桥 宽 为 1 2 2 5 m，整幅桥宽为2 4 5 m；钢管混凝土主梁下弦 钢管直径为7 2 0 mm，厚度为 1 62 4 mm，灌注 昆 凝 土 的强度 等 级为 C 6 0 ；腹杆 为 空钢 管 ，直 径 为 3 7 7 m m ，厚 度 为 81 8 mm ；钢 管混 凝 土纵 向上 弦 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 蒋建军，牟廷敏：钢管混凝土连续桁架梁骨架空间分析 杆直径为2 4 5 m m，厚度为 1 4 m m，灌注混凝土的强 度等级为C 6 0；横向连接角钢为两根 7 5 x 7 5 8 m m， 开 口反 向布置 ；端横梁下弦杆为空钢管 ，直径为 3 7 7 mm，厚 度 为 1 8 m m ；端 横 梁腹杆 和 上弦 杆为 空 钢管 ，直 径为 2 4 5 mm，厚 度为 1 4 mm。腹杆 与 主梁 下弦杆 、腹杆与纵向上弦杆 、横梁与主梁下弦杆等 均采用固结式节点连接，其中腹杆 、纵向上弦杆与 主梁桥面板采用P B L 剪力键连接。 2 钢管混凝土结构分析理论 1 9 8 5 年原哈尔滨建筑工程学院的钟善桐教授首 先提出了把钢管混凝土视为一种组合材料来研究其 综合性能 的新观点 ，这种观点产生了统一理论 。 钢 一 混凝 土组合 结构设 计规 程 (D L T 5 0 8 5 1 9 9 9)采用 了这一 理论 ，视钢管 混凝土 构件为 统一 体 ，采用组合性能指标和构件全截面的几何特性来 确定构件的承载力 。福州大学彭桂瀚 、周武等采 用模型试验对钢管混凝土组合结构的管 内混凝土本 构关系进行了验证 ，并提出了钢管混凝土下弦杆接 头的承载力计算公式 ，适用于结构局部分析。 统一理论中，钢管混凝土组合材料指标主要包 含组合轴压强度设计值 、组合抗剪强度设计值 、组 合轴 压 弹性 模量 E 、组合 抗弯 弹性 模量 E 、组合容重 。 。计算公式分别为： =( 1 2 1 2 + + C ) (1) 其 中： ： 0 1 7 5 9 一 + 0 9 7 4 23 5 c ：一 0 1 0 3 8 + 0 03 09 2 0 毛 a l = ( 0 3 8 5 + 0 2 5 a , ) “ ( 2) ：厂 ： ( 1 2 2 1 0 3 + ) 巨 ( 3) j y E s c m =K s c 4 上述公式 中 ： 厶 、 分别为混凝土轴心抗压强度设计值和标 准值； = 为钢材 的屈服 强度 ； 厂 为钢材的抗拉 、抗压和抗弯强度设计值； 为构件截面含钢率； 为换算系数。 3施工阶段骨架空间分析 钢管混凝土连续桁架梁 的施 工顺 序为 ： ( 1)组焊钢管骨架、架设导梁 、顶推就位 ； ( 2)绑扎桥面板钢筋 ( 悬臂段除外 )； ( 3)灌注上、下弦管内砼； (4)分段浇注已安装骨架孔跨桥面板 ( 不包 括悬臂段 )、张拉纵向预应力束； (5)循环上述步骤 ； ( 6)浇注悬臂段桥面板 ，张拉纵向预应力钢 束和横向预应力钢束。 在组焊钢管骨架阶段和灌注上 、下弦管内砼阶 段 ，上 、下弦均按空钢管考虑，采用空钢管的材料 特性和截面特性 ，其中灌注混凝土阶段将流态的混 凝土当作荷载考虑。待灌注混凝土凝固并与钢管共 同参与受力后 ，将上、下弦按组合材料考虑，根据 统一理论计算其材料特性和截面特性。需要说明的 是 ，主梁下弦为受弯构件 ，在空间模型中应该采用 组合抗弯弹性模量而不是组合轴压弹性模量来模 拟 ，这与承受轴压的钢管混凝土组合柱不 同。组合 抗弯弹性模量约为组合轴压弹性模量的 1 1 5 61 5 1 4 倍 。纵向上弦处于受压区 ，与桥面板结合共同承 受压力和弯矩，考虑到上弦节点间距较小，上弦杆 承受的弯矩较小 ，因此可以近似将纵向上弦当作轴 压构件处理。浇注已安装骨架孔跨桥面板 ( 不包括 悬臂段 )阶段 ，钢管混凝土作为组合结构参与受 力 ，而桥面 板混凝 土处于 流态 不参与 受力 ，将 桥面 板作为荷载施加在骨架上 。待桥面板混凝土参与受 力后 ，在空 间模型 中采用板单元对其进行模 拟。 本文采用MI D A S C i v i l 2 0 1 2 有限元程序分别对 边跨和中间跨 ( 均为半幅 )在 5 个关键的施工阶段 进行 了分析 ，组焊钢管骨架时的计算模 型见图3， 分析结果见表 1 和表 2 。边跨与中间跨的下弦钢管直 径相 同、厚度不 同 ，腹杆直径相 同、厚度不同。 5 个关键的施工阶段分别为： 阶段一组焊钢管骨架； 阶段一灌注钢管内砼； 阶段( - - 管 内砼参与受力 ； 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 西南公路 阶段( 一浇注桥 面板 ； 阶段一桥面板参与受力。 图 3 组焊钢管骨架时的计算模 型 表 1 边跨钢管混凝土桁架梁骨架各构件应力 结构部位 阶段 阶段 阶段 阶段 阶段 下弦 2 0 4 4 3 4 3 7 O 1 6 7 9 1 6 8 4 腹杆 一 1 0 4 9 3 - 2 0 5 1 7 3 - 2 0 5 1 8 0 - 8 9 5 7 5 6 - 9 4 2 8 8 9 上弦 - 3 5 9 - 7 5 9 1 6 2 - 6 9 6 1 8 8 横 向连接 角钢 4 5 O 5 O 5 5 3 2 3 O 注 ：表 中拉 应力为正 ，压应力为 负，单位 为MP a，以下相 同。 表 2 中间跨钢 管混凝 土桁 架梁骨 架各构件应 力 结构部位 阶段 阶段 阶段 阶段 阶段 下 弦 2 2 7 5 l l 4 2 8 1 9 8 O 1 5 8 6 腹杆 一 l O 1 8 6 - 1 9 7 1 6 9 - 2 0 1 1 7 5 - 8 7 0 7 4 2 - 8 7 8 8 2 9 上 弦 - 3 3 1 - 7 3 4 1 5 7 - 6 9 4 1 4 2 横 向连接 角钢 4 7 4 9 5 O 5 5 1 2 2 7 在阶段 阶段 ，由于采用 了统一理论 ，程 序不能直接给 钢管混凝土下弦钢管的应力 ，因此 表中下弦钢管拉应力是根据钢管混凝土拉弯构件的 承 载力 验算 公式计 算得 到 的。根据 钢 一 混凝 土组 合结构设计规程 (D L T 5 0 8 5 1 9 9 9)，钢管混凝 土拉弯构件钢管最大拉应力为 ： s o , = N ( 1 1 A ) + 厂 f ) ( 5) 式 中 ： 为钢管的净面积； y 为构件截面抗弯塑性发展系数； 为构件截面抵抗矩 。 上弦主要承受压力 、剪力和弯矩 ，在阶段 阶段表 中给 的是空钢管的最大应力 ；在 阶段 阶段，表中给出的是组合材料的最大压应力。 从表 1 和表 2 可 以看 出 ： (1)对于主梁下弦杆 ，在施工阶段和阶段 与在 阶段 时相 比 ，拉应力 有 明显增 加 ，为控制 性 的施工阶段 ；在阶段时主梁下弦杆的拉应力又 比在阶段稍小 ，说明钢管混凝土拉弯构件 中有部 6 分 混凝 土参与应 力重分 配 ，并 且钢管 混凝 土骨架 的 中性 轴下 移能进 一步减 小下 弦钢管 的应力 ；中间跨 下 弦在 阶段 时的拉应 力有所 降低 ，这说 明桥 面板 参与受力后较大地增加了整个主梁的抗弯刚度。 ( 2)对于腹杆 ，在阶段和阶段时的应力 水平十分接近 ，说明钢管内混凝土是否参与受力对 腹杆受力没有明显影响；在施工阶段和阶段腹 杆的应力 有 明显增加 ，为腹 杆 的控 制性 阶段 ；在施 工阶段与在阶段相比，腹杆应力有所增加 ，说 明桥面板参与受力后中性轴与形心轴的距离加大。 ( 3)对 于上 弦杆 ，在 施工 阶段 和 阶段 时 的压 应力 水平 均不 高 ，最大 只有 7 5 9 MP a ；在施 工 阶段与在阶段时相比，钢管混凝土上弦的组合 压应力有明显增大，而在阶段又会明显减小 ，说 明对 于上 弦杆而 言 ，施 工阶段 为其控 制性 阶段 ； 在阶段明显减小的原因是桥面板参与了应力重分 配 ，很大程度地分担 了上 弦杆 的应力 。 (4)对于 横 向连接 角钢 ，在 施 T 阶段 阶 段时的压应力水平均不高 ，最大只有 5 0 MP a ；施 工阶段时应力有明显增大 ，在施T阶段又明显 下 降 ，说 明施工 阶段 为其控 制性 阶段 ，桥 面板参 与了应力 重分配 ，很大 程度地 分担 了横 向连 接角钢 的应力 。 (5)钢管混凝土连续桁架梁骨架的各个构件 在上述 5 个关键阶段的应力均能满足规范要求 。 4 运营阶段骨架空间分析 为 了对钢 管混凝 土桁架 梁骨 架在承 载能力 极 限 状 态下 的强度进 行验算 ，本义 选取 了构造形 式上最 不 利 的一 联 桥进 行 空 间 分 析 ，本 联 桥 跨 径 布 置 为 7 x 4 6 7 5 m ，半径 为 5 3 0 m，横坡 超 高值 为 5 。计算 模 型包含 左右 两幅 ，左 幅和右 幅存支 点处采 用横 梁 连 接 。横 梁 由横 梁 下 弦 、横梁 腹 杆 、横 梁 上 弦组 成 。采 用 MI D A S C i v i l 2 0 1 2 程 序建立 的 空问计 算模 型 见图 4 。模型 中 ，下弦 、腹 杆 、上弦 、横 向连 接 件均采用梁单元模拟，桥面板采用板单元模拟。 图4一联桥 空问计算模型 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 蒋建军 ，牟廷敏：钢管混凝土连续桁架梁骨架空间分析 计算荷载考虑了结构 自重、二期恒载 、汽车荷 载和汽车冲击力 。汽车荷载采用公路 一I 级 ，左 、 右幅最多各可布置 3 个车道。分析时分别考虑 了汽 车偏载布置与对称布置两种情况 ，取其 中最不利情 况与恒载进行组合 。 钢管混 凝 土主梁下 弦在 跨 中和支点 处 的受力 状 态不同，前者受拉力 、剪力和正弯矩 ( 验算下缘应 力时，可以忽略剪力的贡献 )，后者受压力 、剪力 和负弯矩 ，因此需对这两个部位采用不同的公式进 行强度验算 。 钢 一 混凝土组合结构设计规程 ( DL T 5 0 8 5 1 9 9 9)给出了两种受力状况下钢管混 凝土构件的强度承载力验算公式。 单肢钢管混凝土构件承受压 、弯 、剪及共同作 用时，构件强度承载力应按下列公式计算 ： 当 N A t0 2 1 - V ( 7 一 A f o r ) f c时 ， N ( 1 4 A ) + ( ) + 一 A ) 】 1 式 中 ： 一 欧拉临界力 ， 式中 为换算长细比； ， 一 构件截面抵抗矩 ； y 一构件截面抗弯塑性发展系数 ，当 0 8 5 时 ，y ： 1 4，当 0 8 5 时 ，7 = 1 2 。 ) ， 一构件 截面抗剪塑性发展系数 ，当 0 8 5 时 ，y =0 8 5，当 0 8 5 时 ， =1 0 。 钢管混凝土拉弯构件的承载力验算公式为 ： N O 1 A ) + ) _厂 ( 6) 钢管混 凝土 上弦杆 处在 受压 区 ，主要 承受 压力 作用 ，因此近似采用钢管混凝土轴心受压构件强度 承载力公式计算 ，即： N A (7) 式 中： 为轴心受压稳定系数 ； 为钢管混凝土的截面面积 。 钢管 混凝 土桁架 梁骨 架 的各 构件 在承 载能力极 限状态 下的强 度验算 结果见表 3 。 从表3 可以看出，钢管混凝土连续桁架梁骨架 各构件的强度承载力均满足设计要求 ，除了主梁 下 弦和部分腹杆应力水平较高外 ，其余 尚有较大 富余。 表 3 承载 能力极 限状态下的强度验算结果 结 构部位 极限值 设计值 边跨下弦跨中 ( M P a ) 2 5 5 7 2 9 5 边跨 下弦支点 0 9 3 4 1 中跨 下弦跨 中 ( MP a ) 2 1 0 6 3 1 O 中跨下弦支点 O 8 8 1 1 纵向上弦 ( k N) 4 4 0 3 2 1 9 腹杆 ( MP a ) 一 2 9 6 1 7 0 3 1 O 横向连接角钢 ( MP a ) - 0 9 1 9 3 1 0 端横梁下弦 ( MP a ) - 7 4 1 9 3 6 3 1 0 端横梁腹杆 ( MP a ) 一l 0 5 3 9 0 0 士3 l 0 端横梁上弦 ( MP a ) - 7 7 3 7 7 6 3 l 0 注：表 中数据压应 力为 负，拉 应力为正。 5 结语 本文 给 出了钢管 混凝 土连续 桁架 梁骨架 空 间分 析的方法 ，并结合四川省雅安经石棉至泸沽高速公 路拖 乌河一 号特 大桥方 案技术 设计 ，给 出了空 间分 析 结果 ，论证 了钢管 混凝土 连续桁 架梁骨 架设计 的 合理性。通过对钢管混凝土连续桁架梁骨架在不同 施工阶段和运营阶段的分析，得到以下结论： (1)钢管混凝土构件在不 同施工阶段应根据 灌注混凝土是否参与受力而采用不同的材料特性和 截面特性进行模拟 ，在MI D AS C i v i l 2 0 1 2 有限元程 序中通过施工阶段联合截面的调整系数进行处理 ； ( 2)对钢管混凝土构件的受力性质需要进行 判断 ，合理选用不同的截面和截面特性 ，通过试算 逐步调整一致 ，并且在强度承载力验算时采用不同 的公 式 ； ( 3)钢管混凝土拉弯构件 中管内部分混凝土 参与应力重分配，对提高钢管构件承载力有利； (4)桥面板参与受力后 ，结构刚度发生了变 化 ，应力重分配的结果有利于降低主梁上弦杆和横 向骨架应力 ，因此骨架与桥面板的连接应保证其受 力整体性和传力可靠。 参 考 文 献 1 】黄侨 ， 周 志祥 桥 梁钢 一 混凝 土组合结构设计原 理 M 北京 ： 人民交通 出 版社 ， 1 9 9 4 2 】D L T 5 0 8 5 1 9 9 9钢一 混凝土组合结构设计规程 s 】 3 中等跨度钢管混凝土桁架桥成套技术研究报告 R 交通运输部科技项 目 2 0 1 2 4 】彭桂瀚， 周武， 范碧琨等 钢管混凝土组合桁梁受力性能有限元分析 l J J l 第 二十届全 国桥梁学术会议 论文集 ，2 0 1 2 5 】牟廷敏 ， 庄卫林 ， 梁健等 公路钢管混凝土桥梁设计 与施 丁 ： 指南 M 北京 人民交通出版社 ，2 0 0 8 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m