脱空后钢管混凝土拱桥的受力性能分析

2016-06-05崔龙龙

工程与建设 2016年5期

关键词：拱桥挠度轴向

崔龙龙, 汪莲

(合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥 230009)

脱空后钢管混凝土拱桥的受力性能分析

崔龙龙, 汪莲

(合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥 230009)

针对钢管混凝土拱肋普遍存在的核心混凝土脱空问题，以一座哑铃型钢管混凝土拱桥为研究背景，利用Midas Civil施工联合截面功能，建立全桥的有限元模型，分析了拱肋脱空比、截面脱空率、含钢率等因素对拱桥的受力性能的影响。结果表明：脱空比和脱空率对拱肋的应力和挠度影响较小，含钢率对脱空后的拱桥的影响较大，施工中应严格控制核心混凝土的密实度，防止脱空现象的发生。

脱空；钢管混凝土拱桥；Midas Civil

0 引言

大量工程实践表明,钢管和混凝土之间经常出现界面分离的现象[1]。界面分离现象可分为两种：一种是由于施工质量引起的较大程度的脱离,可称之为脱空，另一种是由于混凝土收缩、温度变化等非质量原因引起的二者粘结力的丧失,可称之为脱粘[2]。

在施工过程中因混凝土配合比设计不当、混凝土泵送不到位、注浆口及排气口设置不当等原因会造成混凝土拱肋脱空[3-4]。

本文采用有限元软件Midas Civl,研究拱肋出现脱空后,不同脱空率、脱空比、含钢率对拱肋应力和拱肋挠度的变化。为哑铃型钢管混凝土拱桥的设计和施工提供有益的参考。

1 工程概况

图1 全桥总体布置图

图2 哑铃型钢管混凝土拱桥

2 脱空计算分析模型

2.1 脱空参数定义

为了在分析中定量描述钢管和混凝土的径向脱空程度,引入两个参数:脱空率ψ,即核心混凝土脱空部分面积与钢管核心区面积之比[5];拱肋脱空比ρ,即核心混凝土脱空段的水平投影长度与拱肋跨度之比[6]。二者表达式为

(1)

(2)

其中,l'为脱空段水平投影长度,l为拱肋计算跨度,其余符号含义见图(2)b。根据(1)式,脱空率ψ分别为0、5%、10%、15%时对应的核心混凝土脱空高度分别为0 mm、95 mm、150 mm、200 mm。

2.2 拱肋脱空的假定

(1) 哑铃型截面通过Midas Civil施工联合截面功能实现,同一截面上钢管和混凝土通过共节点实现二者的变形协调,无相对滑移[7]。

(2) 加载过程中截面始终保持平面[8]。

(3) 忽略剪应力和剪应变的影响[9]。

(4) 脱空段沿跨度方向,相对于拱顶对称布置,且上、下核心混凝土脱空面积相同。

2.3 有限元模型的建立

计算模型共有梁单元734个,桁架单元34个,板单元192个,实体单元2 192个,节点数558个。全桥空间有限元模型如图3所示。

图3 桥梁有限元模型

3 有限元分析结果

3.1 脱空率

采用承载能力极限状态下作用效应组合,荷载工况为恒载+汽车荷载+人群荷载+汽车制动力[10]。当ρ=1,ψ=0、5%、10%、15%时,钢管轴向应力变化如图4所示,拱肋挠度变化如图5所示。

图4 ρ=1 钢管节点-应力曲线

由图4知,脱空率不会改变钢管轴向应力的变化趋势,随着脱空率的增加,钢管轴向应力基本呈线性增长,均处于弹性工作阶段。ρ=1,ψ=5%、10%、15%时,钢管轴向应力增加约4%、7.5%、12%。这是因为钢管和混凝土共同承受外荷载,当混凝土刚度降低时,钢管承受大部分的荷载,造成脱空段钢管应力增加。由图5知,脱空率对拱肋挠度影响较小,当ρ=1,ψ=15%时,拱顶挠度增加10%、1/4截面挠度增加8%、拱脚挠度增加4%,变化范围均在10%以内。

图5 ρ=1拱肋节点-挠度曲线

3.2 脱空比

荷载工况同上,由于图幅有限仅示意当ψ=15%,ρ=0、1/2、1时,钢管轴向应力、拱肋挠度变化,如图6、图7所示。

图6 ψ=15%钢管节点-应力曲线

图7 ψ=15%拱肋节点-挠度曲线

由图6知,随着脱空比的增加,钢管轴向应力增加,且集中在脱空区段,对于无脱空区段,钢管应力变化微小。ρ≤1/2时,钢管轴向应力增加较快。当ρ=1/2时,拱顶至拱顶两侧1/4范围内,钢管应力由52.2 MPa增至61 MPa,增加17%。由图6知,随着脱空比增加,拱肋挠度略增,且主要集中于1/4～3/4跨。比较图6、图7可知,在线弹性范围内,核心混凝土脱空对拱肋的挠度影响较小,这是因为,钢材的弹性模量明显大于混凝土的弹性模量。因此有必要研究拱肋脱空后,含钢率对拱肋应力和挠度的影响。

3.3 含钢率

减小拱肋钢管厚度ts,使其含钢率αs由10%(ts=20 mm)降低为5%(ts=10 mm)。荷载工况为恒载+汽车荷载+人群荷载+汽车制动力,当ψ=15%,ρ=1时,钢管轴向应力变化如图8所示,拱肋挠度变化如图9所示。