勁性骨架及鋼管混凝土組合柱墩的受力機理淺析

符曉鋒

(常州市交通規劃設計院有限公司)

勁性骨架及鋼管混凝土組合柱墩的受力機理淺析

符曉鋒

(常州市交通規劃設計院有限公司)

隨著我國經濟發展重點不斷向西北部傾斜以及東南路網的日趨完善，近年來高速公路、省道的大規模建設都走向了西部地區，隨之帶來的橋梁建設事業也在西部蓬勃發展。我國西部地區的地形地貌復雜，有著山高、谷深、流急的特點，因此修造橋梁時往往出現高墩、超高墩橋，墩高超過50m十分常見，甚至有些大橋墩高超過100m。在高墩橋的設計、施工過程中，橋墩成為全橋的重點，無論是承載力、抗震、穩定性設計還是施工偏差控制都非常重要，直接影響到橋梁建成后的穩定性和極限承載力。

目前修建的橋墩還是以鋼筋混凝土作為主要材料。鋼筋混凝土橋墩往往只能以增大截面尺寸來使之具有足夠的強度、剛度和穩定性，以保證橋梁結構的耐久性和正常使用。帶來的問題一方面是設計的困難，另一方面則是施工的困難，同時材料的浪費和橋梁外觀笨重等問題也是不可忽略的，與當下低碳環保、節能減排的新時代工程設計理念也是相違背的。因此我們亟需研究新的材料和結構形式，以解決高橋墩的設計和建造問題。

1. 勁性骨架及鋼管混凝土組合柱墩的構思

勁性骨架混凝土高墩具有良好的抗彎能力，型鋼骨架提高了橋墩的剛度和延性，對提高其豎向承載力和抗風、抗震均有幫助，且便于施工，已經運用在了一些特大橋上。但也有其局限性，勁性骨架結合箍筋的形式對混凝土的套箍作用不明顯，無法充分發揮混凝土的抗壓性能。在地震作用下無法對混凝土形成良好的約束以維持橋墩的整體剛度。

鋼管混凝土墩則讓混凝土處于三向受壓狀態，能大幅提高其承載能力，但對混凝土墩的抗彎性能提高不明顯，因此在實際工程中很難采用大尺寸的鋼管混凝土。施工上存在的較大困難局限了其使用范圍，目前鋼管混凝土更多使用在尺寸較小的柱結構中，在橋墩上罕有使用。

針對上述兩種形式的墩的優點與不足，應研究一種新型的柱，加強外部混凝土的約束，不但能夠提高承載力、延性等，同時能使內外部分很好的共同工作。基于此，本文研究了將兩者結合的勁性骨架及鋼管混凝土組合柱墩。

圖1 勁性骨架及鋼管混凝土組合柱墩的形式

這種結合形式可以充分發揮兩種的優點，彌補各自的缺陷。核心采用鋼管混凝土，既能利用鋼管混凝土優秀的承壓能力，又不必建造尺寸過大的鋼管；外圍采用勁性骨架混凝土包裹，能大幅提高墩的剛度和橫向受力性能。

本文將結合勁性骨架混凝土墩和鋼管混凝土墩的研究，著重討論勁性骨架及鋼管混凝土組合柱墩的受力機理。

2. 混凝土的套箍強化現象

經過試驗研究表明，混凝土的變形和破壞與混凝土所處的受力狀態有莫大關系。在單軸受壓狀態下，混凝土破壞時的最大壓應變大約為0.2%，而當有側向壓力同時作用的時候，這一數值可有很大的提高，其抗壓強度同時也有大幅的提高。此即混凝土的套箍強化。

混凝土在三軸壓應力狀態下，順縱軸向的微裂縫的發生和發展會受到限制，從而延遲了裂縫的發展和新裂縫的發生。甚至對于一些已經發生的微裂縫還有閉合作用。混凝土的微裂縫的發生和發展就需要更高的壓應力才能實現，同樣微柱的失穩或折斷也需要比單軸受壓狀態更高的應力。從不同側壓力p作用下的混凝土σ1-ε1曲線可以看出，隨著p值的增大，不僅抗壓強度fc增大，而且相應的極限壓縮變形值也會隨之增大。在側壓力不是非常高的情況下，混凝土的破壞面主要是粗骨料和水泥的接合面，但側壓力提高到一定程度后，混凝土微柱始終不會失穩，則混凝土的破壞將成為骨料的破壞。混凝土的粗骨料將在更高的軸向壓力下在平行于主壓應力的平面形成第二層次的微柱，最后因第二層次微柱失穩而導致混凝土破壞。

3. 勁性骨架及鋼管混凝土組合柱墩的工作機理

借鑒勁性骨架和鋼管混凝土的優點，將兩者組合在一起，形成新型組合柱墩。這種新的組合結構的受力相對更為復雜，但基本的工作機理還是與混凝土的套箍強化分不開的。

分析勁性骨架及鋼管混凝土的工作機理時需要把構件分為兩部分，一部分是內部構件——鋼管混凝土，二是外部構件——外包鋼混凝土。認識勁性骨架及鋼管混凝土工作機理的關鍵在于探明內部核心混凝土、鋼管和外圍勁性骨架混凝土三種材料的應力－應變關系特點，然后區分出各自不同的工作階段，最終形成這種復雜的組合結構的受力特點。

在初始荷載階段，外圍的勁性骨架混凝土處于彈性階段，承受軸向壓力，內部的核心混凝土的橫向變形系數小于鋼管的泊松系數，混凝土與鋼管之間不發生擠壓，鋼管如同普通鋼筋一樣，承受縱向壓力，此時外圍的勁性骨架混凝土與內部構件的橫向變形系數基本相同，它們之間沒有作用力。所以在這一階段，核心混凝土、鋼管和外圍的勁性骨架混凝土共同承受縱向壓力。

隨著縱向應變的增加，外圍的勁性骨架混凝土出現裂縫，內部混凝土發生微裂并不斷發展，混凝土的側向膨脹超過鋼管的側向膨脹，從此開始，鋼管處于縱壓－環拉的雙向應力狀態（徑向壓力較小，可以忽略），混凝土處于三向受壓狀態，外圍勁性骨架混凝土除承受軸向壓力外還承受一部分內部構件的鼓脹力。

在混凝土的泊松系數大于鋼材后，混凝土與鋼管壁之間出現徑向壓力，當雙向受力的鋼管還處于彈性階段時勁性骨架－鋼管混凝土外觀體積變化不大，此時外圍的勁性骨架混凝土已經出現微小裂縫。隨著荷載的增加，鋼管達到屈服而開始塑性變形后，勁性骨架－鋼管混凝土的應變發展加快，外圍的勁性骨架混凝土裂縫逐漸增多。按照Mises屈服條件的規律：

式中，σ1s為鋼管縱向應力；σ2s為鋼管環向應力；fy為鋼管屈服強度。

隨著鋼管環向應力σ2s的不斷增大，其縱應力σ1s則相應地不斷減小，在鋼管與核心混凝土之間產生縱向壓力的重分布。一方面，鋼管承受壓力不斷減小，另一方面，核心混凝土因受到鋼管較大的環向約束而具有更高的抗壓強度，鋼管從主要承受縱向壓應力轉變為主要承受環向拉應力。最后，隨著縱向應變的不斷增加，外圍的勁性骨架混凝土裂縫不斷增多，瀕臨破壞。與此同時，組合構件整體也達到了極限承載力。緊接著外圍的勁性骨架混凝土破壞、脫落，構件的內力進行重分布，由外圍勁性骨架混凝土承擔的壓力傳到內部的鋼管混凝土上，內部的核心混凝土承受更大的壓力，橫向變形也隨之增大，因此鋼管的環向塑性變形急劇增加。構件環向內力進行重分布，鋼管承擔更大的環向拉力，環向變形增加很大。鋼管所承擔的縱向壓力從初期的不斷增大轉變為后期的不斷減小，鋼管的作用從初期的主要為縱向受壓發展成后期的主要為環向受拉。普通鋼管混凝土與普通鋼筋混凝土柱或勁性骨架混凝土柱相比較，鋼管混凝土承載能力的增益正是發生在鋼管屈服后的塑流階段[64]，因鋼管對核心混凝土的套箍效應而獲得。鋼管屈服并不意味著鋼管混凝土已經喪失承載能力，在鋼管屈服后的塑流過程中，在鋼管和核心混凝土之間產生持續的內力重分布，核心混凝土的套箍強化才得到持續充分的發展，從而使勁性骨架—鋼管混凝土的承載能力和變形能力得到明顯提高。根據極限狀態設計法關于承載能力極限狀態的規定，一律以勁性骨架－鋼管混凝土所能承受的“最大荷載”作為其“極限承載能力”。

4 結語

勁性骨架及鋼管混凝土組合柱墩是復雜的三維空間結構，要完全準確地計算出結構在荷載作用下的應力和變形是很困難的。目前大多數分析主要是利用通用有限元計算軟件，對勁性骨架及鋼管混凝土組合柱墩進行理想化建模，，可為設計和施工提供參考依據。

U45

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1007-6344（2017）05-0042-01