铁路桥梁钢管混凝土结构基本设计参数研究

2011-01-15徐升桥

铁道标准设计 2011年3期

关键词：徐变轴压拱桥

徐升桥

(中铁工程设计咨询集团桥梁工程设计研究院,北京 100055)

1 概述

钢管混凝土结构的计算分析方法主要有叠加法和合成法(统一理论[1～2])两类,两种方法都可以考虑钢管混凝土构件的套箍效应,在设计中各有其优缺点。

合成法采用钢管混凝土统一理论,且有大量的研究成果,可直接进行构件设计,公式形式简单、概念清晰,最近出版的建筑行业设计与施工技术规程均基于合成法。

与建筑结构相比,桥梁结构具有跨度大、承受活载的特点,叠加法符合桥梁工程师的设计习惯,可较好地反映大跨度钢管混凝土拱桥施工和运营过程钢管、混凝土应力变化以及结构位移变化的情况,便于设计者开展总体性桥梁结构分析,确保工程的使用与安全性能。

目前钢管混凝土结构在我国公路、铁路桥梁建设中已得到大量的应用,为了充分利用建筑行业的研究成果,有必要对钢管混凝土结构的强度、刚度参数进行相应的研究,为制订铁路桥梁结构的设计规范提供必要的技术依据。

有关符号：

fy—钢的屈服强度；

fc—混凝土的标准强度；

[σs]—钢材轴向容许应力；

[σc]—混凝土中心受压容许应力；

Es—钢材弹性模量；

Ec—混凝土弹性模量；

As—钢截面积；

Ac—混凝土截面积；

Is—钢抗弯惯矩；

Ic—混凝土抗弯惯矩。

2 轴心抗压强度

2.1 计算方法

叠加法计算公式

容许屈服轴压力

[N]=As[σs]+C1Ac[σc]

(1)

屈服轴压力

Nu=Asfy+C2Acfc

(2)

合成法计算公式

容许屈服轴压力

[N]=(As+Ac)(1.14+1.02ξ)[σc]

(3)

屈服轴压力

Nu=(As+Ac)(1.14+1.02ξ)fc

(4)

C0=1.14+1.02ξ

(5)

比较公式(1)、(3),可得

C1=(1+α)C0-αγ

(6)

比较公式(2)、(4),可得：

C2=(1+α)C0-αβ

(7)

其中

α=As/Ac为钢管混凝土截面的含钢率

β=fy/fc

γ=[σs]/[σc]

ξ=αβ为钢管混凝土截面的套箍系数

通过合成法的计算公式可以导出叠加法公式的计算参数,美国规范AISC360-05也按此思路进行钢管混凝土轴心受压构件承载力计算,且规定C1=0.95。

按(6)、(7)式计算的钢管混凝土构件C1、C2值见表1、表2。

表1 钢管混凝土容许轴压力[N]计算参数C1

表2 钢管混凝土屈服轴压力Nu计算参数C2

由上表可以看出,C1、C2的取值与含钢率、钢材种类、混凝土强度等级有关,与美国规范相比，本文的计算方法更合理、安全。

2.2 截面有限元分析

为了验证以上计算方法,利用材料非线性有限元分析程序,分别按照钢、混凝土的应力应变曲线建立计算分析模型,计算其屈服轴压力和极限轴压力,模型由Q345qφ1 200 mm×46 mm钢管、C50混凝土组成,为大瑞铁路澜沧江特大桥[3]拱顶劲性骨架截面。

有限元计算结果如图1所示,钢管混凝土结构具有与钢结构相近的延性性能,屈服轴压力为76 710 kN、极限轴压力为89 700 kN,而按(1)、(2)式分别计算的容许、屈服轴压力为30 323、75 553 kN,二者屈服强度吻合好,根据(1)式计算的容许轴压力具有很高的安全储备。

图1 钢管混凝土结构轴压承载力计算曲线

2.3 建议

按照(2)式计算的屈服轴压力除以2.0的安全系数,得到的容许轴压力将比按照(1)式计算的容许轴压力大20%以上,考虑到桥梁工程中钢管混凝土结构具有一定的初始应力,以及钢管混凝土结构的初始缺陷和运营阶段由于混凝土收缩在钢管、混凝土间可能产生缝隙,钢管混凝土容许轴压承载力仍应按(1)式进行设计计算,但钢管的容许应力可较“桥规”提高10%左右。

3 徐变终极值

3.1 计算方法

混凝土的徐变是在长期荷载作用下混凝土塑性变形随时间增长的现象,影响混凝土徐变的主要因素有水泥用量、水灰比、周围环境的温度与湿度、构件的截面形状、加载时混凝土的龄期和应力的大小等。在钢管混凝土拱桥中,钢管拱肋成拱后才开始灌注拱肋内混凝土,由于肋内混凝土相对密闭,水分的流失比较慢,其徐变特性与在湿度比较大环境下的普通混凝土相当,徐变发展的时间稍长,大约2～3年后可趋于稳定。

在钢管混凝土拱桥中,混凝土被置于钢截面内,具有相同的截面形心和对称轴,可以认为二者的变形服从平截面假定,这就大大简化了徐变内力的计算分析。

采用换算弹性模量法编制了基于空间梁单元的桥梁分析程序BBEM,徐变系数终值φ(t∞,τ)按“铁路桥规”取值,范围在1.8～2.5。