中厚壁冷弯钢管混凝土桥墩合理截面研究

罗露露　方婉蓉

(1.武汉交通职业学院　武汉　430065；　2.华中科技大学　武汉　430074；

3.中南建筑设计院股份有限公司　武汉　430071)

中厚壁冷弯钢管混凝土桥墩合理截面研究

罗露露1,2方婉蓉3

(1.武汉交通职业学院武汉430065；2.华中科技大学武汉430074；

3.中南建筑设计院股份有限公司武汉430071)

摘要结合工程实例，通过ANSYS分析在同等条件下用中厚壁冷弯钢管混凝土桥墩取代钢筋混凝土桥墩时，中厚壁冷弯钢管混凝土桥墩所需要的合理截面尺寸。文中从承载力、墩顶水平位移和工程经济适用性3个方面进行比较分析。结果表明：依托实际工程项目的钢筋混凝土桥墩截面为1.6 m×4 m时，与其等效的合理中厚壁冷弯钢管混凝土桥墩截面为2.2 m×1.8 m。

关键词冷弯钢管混凝土桥墩中厚壁合理截面ANSYS分析

目前钢管混凝土在桥墩上的应用多采用圆钢管混凝土为主，方钢管混凝土的应用比较少见[1]。关于冷弯型钢钢管混凝土的研究多数是围绕冷弯薄壁(钢管厚度不超过6 mm)钢管混凝土进行 ，冷弯中厚壁钢管混凝土的研究基本上还处于空白[2-3]。然而采用中厚壁冷弯型钢钢管与混凝土形成的组合墩柱，与冷弯薄壁钢管混凝土墩柱相比，具有更高的承载力和更好的延性，必然能更好地满足建筑及桥梁结构日益发展的需要。本文以实际桥梁的墩柱为参考，通过ANSYS 进行截面试算，从承载力、墩顶水平位移和工程经济适用性3个方面综合分析，得到与实际所选桥墩等效的合理的中厚壁冷弯钢管混凝土截面。

1依托工程

以某曲线梁桥20 m+30 m×3+20 m预应力现浇箱梁2号桥墩为例，对在相同受力情况下等效的冷弯中厚壁钢管混凝土截面进行有限元分析。2号桥墩为矩形钢筋混凝土实心墩，墩身的平均高度为23.3 m，墩身截面为1.6 m×4 m。该桥墩的构造见图1。

墩身采用C40混凝土，混凝土用量为149.0 m3。该桥墩墩顶水平力考虑汽车制动力、离心力、风力、主梁温度力。根据规范计算出的水平力见表1。

图1　2号墩构造图(单位:cm)

kN

注：括号外表示顺桥向风力，括号内表示横桥向风力。

2有限元模型

混凝土和钢材在ANSYS建模时分别采用SOLID45和SOLID65单元进行模拟，建模过程中不考虑钢管和混凝土之间的粘结滑移作用，将钢与混凝土节点处采用共节点处理，通过这种方式将钢管与混凝土连接成为一个整体。

2.1　钢材的应力-应变曲线关系

本文试验中的钢材为冷弯型钢，选用文献[4]中的多折线应力-应变曲线关系进行本构关系的设定，见图2，钢材的应力-应变发展规律分为4个线性阶段，每个阶段对应的应力与应变比值不一致且逐渐减小。计算见式(1)~(4)。

图2　钢材的应力-应变关系曲线

式中：fy，es分别为钢材的屈服强度和弹性模量。

2.2　混凝土的应力-应变曲线关系

选取考虑了矩形钢管对核心混凝土约束效应影响的三向受压的混凝土本构关系[5-6]，其应力-应变关系见式(5)~(6)。

式中：x=ε/ε0；y=σ/σ0；

σ0=[1+(-0.013 5ξ2+0.1ξ)(24/fc)0.045]fc

ε0=εcc+[1 330+760(fc/24-1)]ξ0.2；

εcc=1 330+12.5fc；

η=1.6+1.5/x；

ξ=Asfy/(fckAc)，As，Ac分别为钢管和混凝土的截面面积，fy为钢材的屈服强度，fck为混凝土轴心抗压强度标准值。

3截面设计

文献[7]中提到，在相同的极限承载力作用下，钢管混凝土截面要比钢筋混凝土截面小很多，截面面积大致可以降到0.4，故本文在选取截面尺寸的时候以此为参考。冷弯钢管混凝土中钢管采用Q345钢，壁厚6 mm，试算截面尺寸设计见表2。

表2　试算截面尺寸　 m

将依托的实际桥墩即2号桥墩所受到的力进行组合，得到轴向、横桥向和纵桥向的最不利荷载组合，将3个方向组合得到的最不利的荷载作用于设计的钢管混凝土截面上，墩高不变，从承载力、墩顶水平位移和经济性3个方面得到合理的一种截面形式。本文将钢管混凝土桥墩简化成一端固结，一端自由的计算模型。有限元模型见图3。

图3　桥墩有限元模型

4结果分析

合理的截面尺寸，即不仅能够满足承载力的要求，也需要能够满足桥墩墩顶水平位移和工程经济适用性的要求。

4.1　承载力

各截面在相同的承载力作用下，钢管混凝土桥墩中钢管和混凝土2种材料的最大应力-应变见表3。

表3　钢管和混凝土材料的最大应力-应变

由表3可见，随着钢管截面的减小，在相同的承载力作用下，外钢管逐渐从弹性工作转变为塑性工作，混凝土的强度和应变也在不断增大。从承载能力方面来看，在仅考虑桥墩所受全部外力最不利作用的情况下，试算的每一个截面均能满足要求。其中1.4 m×1.2 m截面属于临界截面，即截面尺寸小于该截面时已不能再承受最不利荷载的影响。

4.2　墩顶水平位移

文献[8]中提出墩顶水平位移限值需满足

(7)

表4　墩顶位移

由表4可见，截面2.2 m×2.0 m横桥向位移为52.09 mm，纵桥向水平位移为73.97 mm，均满足最大允许水平位移；而截面2.2 m×1.8 m横桥向位移为58.20 mm，小于最大水平位移的限值，但是纵桥向水平位移为101.69 mm，超出最大允许水平位移17%。其他几种截面不论是从横桥向还是纵桥向位移来看均超出最大水平位移，其中最少超出最大水平位移限值的20%，最多超过7.4倍。

故从墩顶水平位移限值方面考虑，最符合条件的为截面2.2 m×2.0 m，而截面2.2 m×1.8 m，结合承载力分析的结果，在受到最不利承载力作用下仍处于弹性工作阶段，混凝土尚且有足够的强度，该位移是可以恢复的，故可以认为该截面亦满足要求。

4.3　经济适用性

试算截面的钢管混凝土桥墩，从截面尺寸上已远远小于依托项目的钢筋混凝土桥墩。其中最大试算截面为钢筋混凝土截面的0.69倍，最小的试算截面为钢筋混凝土截面的0.26倍。从经济性上考虑，所选取的截面也是造价相对较低的。

文中试算的所有截面其单根墩的造价均小于钢筋混凝土桥墩的造价。如果单从经济性上进行比较，所选截面相对于钢筋混凝土墩造价上至少可以节约58%。

5结论

综合承载能力和经济性上分析，所有截面均符合要求，但从墩顶水平位移上分析仅有截面2.2 m×2.0 m和截面2.2 m×1.8 m满足要求。综合3个方面的分析，可以选出合理的截面尺寸为2.2 m×1.8 m，即等效于依托项目的钢筋混凝土桥墩的合理的钢管混凝土截面为2.2 m×1.8 m。说明采用中厚壁冷弯钢管混凝土结构在满足受力和变形的前提下，经济性得到很大改善，在桥梁墩柱结构中将得到广泛使用。

参考文献

[1]胡朝平.方钢管混凝土应用实例[J].安徽建筑,2011(2):126-128.

[2]汪辉.考虑初始缺陷的中厚壁冷弯钢管柱极限承载力研究[D].武汉:武汉理工大学,2004.

[3]张达.方形冷弯中厚壁钢管混凝土短柱承载力研究[D].武汉:华中科技大学,2012.

[4]ABAEL-RAHMAN N,SIVAKUMARAN K S. Material properties models for analysis of cold-formed steel members[J]. Journal of Structural Engineering,1997,123(9):1135-1143.

[5]韩林海.钢管混凝土结构[M].2版.北京: 科学出版社, 2007.

[6]陶忠,余清.新型组合结构柱：试验、理论与方法[M]. 北京: 科学出版社, 2006.

[7]马建峰,慧颖.钢管混凝土高桥墩的极限承载力分析[J].钢结构,2009, 24(10):24-27.

[8]马建峰.钢管混凝土压弯构件的稳定性及在桥墩中的应用[D].南京:南京理工大学,2009.

Reasonable Section Research on Medium-walled

Cold-formed Steel Piers-walled Cold-formed Steel Piers

LuoLulu1,2,FangWanrong3

(1.Wuhan Technical College of Communications, Wuhan 430065, China;

2.Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China;

3.Central-South Architectural Design Institute, Wuhan 430065, China)

Abstract：With practical instances, under the same conditions by ANSYS, the reasonable section that is used to be instead of reinforced concrete bridge piers with medium-walled cold-formed steel pipes is researched. A comparative analysis from three aspects is made in the article, which are bearing capacity, lateral displacement of pier and the engineering applicability of the economic. The results show that: when the actual section of the reinforced concrete pier is 1.6 m×4 m, the reasonable equivalent section of medium-walled cold-formed steel pier is 2.2 m×1.8 m.

Key words:concrete-filled cold-formed steel piers; medium-walled; reasonable section; ANSYS analysis

收稿日期：2015-02-19

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.03.004