空心钢管混凝土拱桥截面设计参数影响分析

廖万辉， 岳亚超， 颜东煌， 许红胜

(1.贵州省公路工程集团有限公司第三分公司， 贵州 贵阳 550008； 2.长沙理工大学， 湖南 长沙 410114)

钢管混凝土构件具有承载力高、抗震性能好、自重轻、抗冲击性能优越等优点，随着交通事业的发展，钢管混凝土拱桥已经在中国得到了广泛的应用。近20年来中国修建的跨径50 m以上的钢管混凝土拱桥超过250座，目前跨径大于400 m的有7座。钢管混凝土根据成型方式的不同，可分为实心钢管混凝土和空心钢管混凝土，与实心钢管混凝土相比，空心钢管混凝土具有节约混凝土、减轻自重、便于运输和施工等优点。空心钢管混凝土空心率为空心面积与钢管所围面积之比，是影响空心钢管混凝土工作性能的重要因素，其横截面如图1所示。近些年来，钢管混凝土拱桥在施工过程中管内浇筑混凝土存在严重的安全风险，且截面的承载能力并未得到充分发挥，故该文以某特大钢管拱桥设计优化方案为例，以规范CECS 254—2009《空心钢管混凝土结构技术规程》为依据，用稳定承载力验算系数来反映截面承载力的大小，其值越大，结构安全性越低。当其值小于1时，结构处于安全状态，等于1时，结构处于承载能力极限状态，大于1时，结构处于破坏状态。

图1 空心钢管混凝土截面

1 工程概况

某特大钢管拱桥设计优化方案为一座计算跨径为482 m的上承式钢管混凝土变截面桁架拱桥，拱轴线采用悬链线，拱轴系数m=1.6，矢高h=96.4 m，矢跨比f=1/5。主拱圈采用等宽变高度空间桁架结构，肋间设置横联和米撑，拱脚接头采用竖向可转动的铰接方式，由于此桥正处于设计阶段，因此建模时主拱圈截面设计参数参考大小井特大桥，其上、下弦拱肋钢管外径为1 360 mm，拱肋上弦管自拱脚至拱顶壁厚分别为35、28、32 mm；拱肋下弦管自拱脚至拱顶壁厚分别为35、32、28 mm，拱脚采用Q390D钢，其余部分均采用Q345D钢，管内灌注C60自密实微膨胀混凝土(表1)。初步设计采用空心率为0.5的空心钢管混凝土进行计算。

表1 主拱圈节段壁厚

2 计算分析

2.1 原截面下稳定承载力验算系数的计算

参考文献《装配式空心钢管混凝土拱桥可行性研究》中利用SAP 2000计算空心钢管混凝土拱桥内力的方法，算得不同空心率和钢管壁厚下的内力值，以此为基础在主拱圈不同位置处选择5个截面，分别计算稳定承载力验算系数。其中原截面下空心钢管混凝土的拱内力值如表2所示。

表2 拱内力

最不利荷载组合作用下，分别取拱顶、3/8、1/4、1/8和拱脚5个不同截面进行计算，其中每个截面的相关参数如表3所示。

表3 截面参数

由表2不同位置拱内力值可知：拱顶、3/8、1/4和1/8处截面均为偏心受压构件，拱脚处所受弯矩较小，偏心距可忽略不计，近似看作轴心受压构件进行验算，其他空心率和钢管壁厚下的内力值也如此。根据规范CECS 254—2009《空心钢管混凝土结构技术规程》中规定，圆形截面空心钢管混凝土偏心受压承载力验算按式(1)～(2)计算。

(1)

(2)

式中：N0为轴心受压承载力；NE为欧拉临界力；M0为截面受弯承载力设计值；N为轴心压力设计值；M为轴心压力设计值；φ为轴心受压构件稳定系数；Ah0为空心钢管混凝土构件的组合截面面积；fh为空心钢管混凝土的组合抗压强度设计值；βm为弯矩等效系数。

假设构件的计算长度为15 m，根据规范中规定的公式，算得承载力设计值如表4所示，其中拱脚处由于弯矩很小，其偏心距近似为零，可看作轴心受压构件进行分析。通过计算可知，5个截面均满足承载力要求，但通过与内力相比，其材料性能利用率相对较低，造成成本过高，材料浪费。

表4 承载力设计值

2.2 改变空心率稳定承载力验算系数变化规律分析

现对空心钢管混凝土截面合理性进行分析，首先在保证钢管外径和钢管壁厚不变的条件下内部空心率逐渐增加，利用已算得的拱内力值，计算其对稳定承载力验算系数的影响，根据规范计算可得其规律如图2所示。

图2 空心率影响图

通过计算，得到4个截面的斜率变化情况如表5所示，其值随空心率的增大显著增大，说明空心率对稳定承载力验算系数影响较为显著，当空心率为0.6时，稳定承载力验算系数受空心率影响曲线斜率开始发生明显变化，因此建议在进行截面设计时空心率取0.6以下，此时稳定承载力验算系数变化较为平缓。通过验算，所选取5个截面在空心率变化范围内均满足承载力要求。

表5 曲线斜率变化

2.3 改变壁厚稳定承载力验算系数变化规律分析

保持空心率和钢管外径不变，逐渐减小钢管壁厚，分析其对稳定承载力验算系数的影响，根据规范CECS 254—2009《空心钢管混凝土结构技术规程》，计算结果如图3所示。结果显示：在保持空心率不变的情况下，4个截面的稳定承载力验算系数均与钢管壁厚大致呈一次线性变化，钢管壁厚对承载力影响较小。不同位置截面在钢管壁厚验算范围内均满足承载力要求。

图3 钢管壁厚影响图

2.4 空心率和壁厚均改变后稳定承载力验算系数变化规律分析

以截面①为例，对于同一个截面，分别取空心率为0.35、0.5和0.65，逐渐降低钢管壁厚，得到的规律曲线如图4所示。总的来说，无论空心率取何值，稳定承载力验算系数均随壁厚的增加呈线性减小，且空心率越大，曲线斜率越大，钢管壁厚对承载力的影响也越大。

图4 壁厚与空心率双重作用影响图

3 结论

(1) 当钢管外径为1 360 mm时，空心率对稳定承载力验算系数的影响曲线斜率变化较为显著，其对承载力影响较大，在进行截面设计时，建议空心率取0.6以下，此时截面安全性受空心率影响较小。

(2) 当钢管外径为1 360 mm时，钢管壁厚对稳定承载力验算系数的影响曲线较为平缓，钢管壁厚对承载力的影响相对不敏感，表明钢管径厚比(含刚率)对截面承载力影响较小。

(3) 总的来说，当钢管外径为1 360 mm，在进行空心钢管混凝土截面设计时，选择合适的空心率下，减小钢管壁厚从而使材料性能得到充分的发挥，获得最好的经济性。