中厚壁冷彎鋼管混凝土橋墩合理截面研究

羅露露　方婉蓉

(1.武漢交通職業學院　武漢　430065；　2.華中科技大學　武漢　430074；

3.中南建筑設計院股份有限公司　武漢　430071)

中厚壁冷彎鋼管混凝土橋墩合理截面研究

羅露露1,2方婉蓉3

(1.武漢交通職業學院武漢430065；2.華中科技大學武漢430074；

3.中南建筑設計院股份有限公司武漢430071)

摘要結合工程實例，通過ANSYS分析在同等條件下用中厚壁冷彎鋼管混凝土橋墩取代鋼筋混凝土橋墩時，中厚壁冷彎鋼管混凝土橋墩所需要的合理截面尺寸。文中從承載力、墩頂水平位移和工程經濟適用性3個方面進行比較分析。結果表明：依托實際工程項目的鋼筋混凝土橋墩截面為1.6 m×4 m時，與其等效的合理中厚壁冷彎鋼管混凝土橋墩截面為2.2 m×1.8 m。

關鍵詞冷彎鋼管混凝土橋墩中厚壁合理截面ANSYS分析

目前鋼管混凝土在橋墩上的應用多采用圓鋼管混凝土為主，方鋼管混凝土的應用比較少見[1]。關于冷彎型鋼鋼管混凝土的研究多數是圍繞冷彎薄壁(鋼管厚度不超過6 mm)鋼管混凝土進行 ，冷彎中厚壁鋼管混凝土的研究基本上還處于空白[2-3]。然而采用中厚壁冷彎型鋼鋼管與混凝土形成的組合墩柱，與冷彎薄壁鋼管混凝土墩柱相比，具有更高的承載力和更好的延性，必然能更好地滿足建筑及橋梁結構日益發展的需要。本文以實際橋梁的墩柱為參考，通過ANSYS 進行截面試算，從承載力、墩頂水平位移和工程經濟適用性3個方面綜合分析，得到與實際所選橋墩等效的合理的中厚壁冷彎鋼管混凝土截面。

1依托工程

以某曲線梁橋20 m+30 m×3+20 m預應力現澆箱梁2號橋墩為例，對在相同受力情況下等效的冷彎中厚壁鋼管混凝土截面進行有限元分析。2號橋墩為矩形鋼筋混凝土實心墩，墩身的平均高度為23.3 m，墩身截面為1.6 m×4 m。該橋墩的構造見圖1。

墩身采用C40混凝土，混凝土用量為149.0 m3。該橋墩墩頂水平力考慮汽車制動力、離心力、風力、主梁溫度力。根據規范計算出的水平力見表1。

圖1　2號墩構造圖(單位:cm)

kN

注：括號外表示順橋向風力，括號內表示橫橋向風力。

2有限元模型

混凝土和鋼材在ANSYS建模時分別采用SOLID45和SOLID65單元進行模擬，建模過程中不考慮鋼管和混凝土之間的粘結滑移作用，將鋼與混凝土節點處采用共節點處理，通過這種方式將鋼管與混凝土連接成為一個整體。

2.1　鋼材的應力-應變曲線關系

本文試驗中的鋼材為冷彎型鋼，選用文獻[4]中的多折線應力-應變曲線關系進行本構關系的設定，見圖2，鋼材的應力-應變發展規律分為4個線性階段，每個階段對應的應力與應變比值不一致且逐漸減小。計算見式(1)~(4)。

圖2　鋼材的應力-應變關系曲線

式中：fy，es分別為鋼材的屈服強度和彈性模量。

2.2　混凝土的應力-應變曲線關系

選取考慮了矩形鋼管對核心混凝土約束效應影響的三向受壓的混凝土本構關系[5-6]，其應力-應變關系見式(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分別為鋼管和混凝土的截面面積，fy為鋼材的屈服強度，fck為混凝土軸心抗壓強度標準值。

3截面設計

文獻[7]中提到，在相同的極限承載力作用下，鋼管混凝土截面要比鋼筋混凝土截面小很多，截面面積大致可以降到0.4，故本文在選取截面尺寸的時候以此為參考。冷彎鋼管混凝土中鋼管采用Q345鋼，壁厚6 mm，試算截面尺寸設計見表2。

表2　試算截面尺寸　 m

將依托的實際橋墩即2號橋墩所受到的力進行組合，得到軸向、橫橋向和縱橋向的最不利荷載組合，將3個方向組合得到的最不利的荷載作用于設計的鋼管混凝土截面上，墩高不變，從承載力、墩頂水平位移和經濟性3個方面得到合理的一種截面形式。本文將鋼管混凝土橋墩簡化成一端固結，一端自由的計算模型。有限元模型見圖3。

圖3　橋墩有限元模型

4結果分析

合理的截面尺寸，即不僅能夠滿足承載力的要求，也需要能夠滿足橋墩墩頂水平位移和工程經濟適用性的要求。

4.1　承載力

各截面在相同的承載力作用下，鋼管混凝土橋墩中鋼管和混凝土2種材料的最大應力-應變見表3。

表3　鋼管和混凝土材料的最大應力-應變

由表3可見，隨著鋼管截面的減小，在相同的承載力作用下，外鋼管逐漸從彈性工作轉變為塑性工作，混凝土的強度和應變也在不斷增大。從承載能力方面來看，在僅考慮橋墩所受全部外力最不利作用的情況下，試算的每一個截面均能滿足要求。其中1.4 m×1.2 m截面屬于臨界截面，即截面尺寸小于該截面時已不能再承受最不利荷載的影響。

4.2　墩頂水平位移

文獻[8]中提出墩頂水平位移限值需滿足

(7)

表4　墩頂位移

由表4可見，截面2.2 m×2.0 m橫橋向位移為52.09 mm，縱橋向水平位移為73.97 mm，均滿足最大允許水平位移；而截面2.2 m×1.8 m橫橋向位移為58.20 mm，小于最大水平位移的限值，但是縱橋向水平位移為101.69 mm，超出最大允許水平位移17%。其他幾種截面不論是從橫橋向還是縱橋向位移來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%，最多超過7.4倍。

故從墩頂水平位移限值方面考慮，最符合條件的為截面2.2 m×2.0 m，而截面2.2 m×1.8 m，結合承載力分析的結果，在受到最不利承載力作用下仍處于彈性工作階段，混凝土尚且有足夠的強度，該位移是可以恢復的，故可以認為該截面亦滿足要求。

4.3　經濟適用性

試算截面的鋼管混凝土橋墩，從截面尺寸上已遠遠小于依托項目的鋼筋混凝土橋墩。其中最大試算截面為鋼筋混凝土截面的0.69倍，最小的試算截面為鋼筋混凝土截面的0.26倍。從經濟性上考慮，所選取的截面也是造價相對較低的。

文中試算的所有截面其單根墩的造價均小于鋼筋混凝土橋墩的造價。如果單從經濟性上進行比較，所選截面相對于鋼筋混凝土墩造價上至少可以節約58%。

5結論

綜合承載能力和經濟性上分析，所有截面均符合要求，但從墩頂水平位移上分析僅有截面2.2 m×2.0 m和截面2.2 m×1.8 m滿足要求。綜合3個方面的分析，可以選出合理的截面尺寸為2.2 m×1.8 m，即等效于依托項目的鋼筋混凝土橋墩的合理的鋼管混凝土截面為2.2 m×1.8 m。說明采用中厚壁冷彎鋼管混凝土結構在滿足受力和變形的前提下，經濟性得到很大改善，在橋梁墩柱結構中將得到廣泛使用。

參考文獻

[1]胡朝平.方鋼管混凝土應用實例[J].安徽建筑,2011(2):126-128.

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[3]張達.方形冷彎中厚壁鋼管混凝土短柱承載力研究[D].武漢:華中科技大學,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]韓林海.鋼管混凝土結構[M].2版.北京: 科學出版社, 2007.

[6]陶忠,余清.新型組合結構柱：試驗、理論與方法[M]. 北京: 科學出版社, 2006.

[7]馬建峰,慧穎.鋼管混凝土高橋墩的極限承載力分析[J].鋼結構,2009, 24(10):24-27.

[8]馬建峰.鋼管混凝土壓彎構件的穩定性及在橋墩中的應用[D].南京:南京理工大學,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