鋼管混凝土應(yīng)力及極限承載能力的計(jì)算分析

陳曉暉 李明樾 洪星架

摘要：文章對(duì)鋼管混凝土中鋼管-混凝土的應(yīng)力及極限承載能力進(jìn)行了研究，并提出了新的計(jì)算方法，所采用的公式更簡(jiǎn)潔，計(jì)算參數(shù)更少，各參數(shù)的物理意義更明確，還能對(duì)鋼管與核心混凝土各階段的應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行分析，結(jié)果更豐富，適合推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土;應(yīng)力;極限承載能力

0 引言

隨著鋼管混凝土的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)鋼管混凝土中鋼管-混凝土的應(yīng)力及極限承載能力的分析計(jì)算也提出了更高的要求。本文研究提出了一種新的計(jì)算方法，與文獻(xiàn)[1]鐘善桐提出的計(jì)算公式和驗(yàn)算方法相比較，其結(jié)果很相近，但采用的公式和參數(shù)更為簡(jiǎn)潔且計(jì)算結(jié)果更豐富。此方法在馬灘紅水河特大橋鋼管混凝土拱肋設(shè)計(jì)中進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證，得出的結(jié)果十分理想，具有推廣的價(jià)值。

1 鋼管-混凝土的應(yīng)力及極限承載能力分析計(jì)算

鋼管混凝土的極限承載能力能否顯著提高，與鋼管對(duì)混凝土的約束有很大的關(guān)系。在鋼管混凝土中，核心混凝土的泊松比大于鋼管的泊松比，因此它們的內(nèi)部變形是不同步的。當(dāng)軸向荷載同時(shí)作用于鋼管與混凝土?xí)r，產(chǎn)生的強(qiáng)制鋼管混凝土軸向變形相同，此時(shí)鋼管的剛度足夠，在混凝土破壞前鋼管不會(huì)發(fā)生屈服破壞，其泊松比不變。后續(xù)在不斷加大的軸向壓縮荷載作用下，核心混凝土與鋼管按相同的橫向變形速率產(chǎn)生變形，此時(shí)鋼管受到核心混凝土的擠壓，橫向變形速率增大，鋼管對(duì)混凝土的約束作用達(dá)到彈性極限。如果繼續(xù)增加壓縮荷載，鋼管和混凝土的泊松比按相協(xié)調(diào)的速率增大，當(dāng)鋼管的泊松比達(dá)到0.5時(shí)，核心混凝土的泊松比也同時(shí)達(dá)到0.5，鋼管混凝土的承載能力達(dá)到塑性極限。再繼續(xù)增加荷載時(shí)，鋼管屈服后會(huì)發(fā)生塑性流動(dòng)，失去對(duì)混凝土的約束，核心混凝土的裂縫擴(kuò)展，導(dǎo)致核心混凝土和鋼管快速破壞。

1.2 鋼管混凝土的極限承載力計(jì)算應(yīng)用

在馬灘紅水河特大橋鋼管混凝土拱肋設(shè)計(jì)中，運(yùn)用了新計(jì)算公式，試件中混凝土的抗壓強(qiáng)度為C50，軸心抗壓強(qiáng)度為38.75 MPa，軸心抗拉強(qiáng)度為3.41 MPa，拉壓強(qiáng)度比α=0.087 9，泊松比νh=0.176。鋼管直徑D=1 200 mm，壁厚t=28 mm，鋼管面積率ρg=0.087 2。鋼管采用Q235鋼板，屈服強(qiáng)度f(wàn)sg=375 MPa，破壞強(qiáng)度f(wàn)pg=460 MPa。混凝土達(dá)到軸心抗壓強(qiáng)度時(shí)，鋼管混凝土開(kāi)始出現(xiàn)第一屈服點(diǎn)，鋼管的軸向應(yīng)力σgz=247.91 MPa，鋼管混凝土的軸向應(yīng)變?chǔ)舲=0.096 1%，鋼管混凝土的第一屈服點(diǎn)應(yīng)力σsz1=56.98 MPa;鋼管應(yīng)力達(dá)到材料屈服強(qiáng)度，鋼管混凝土出現(xiàn)第二屈服點(diǎn)，其計(jì)算應(yīng)力σsz1=68.06 MPa;鋼管應(yīng)力達(dá)到材料破壞強(qiáng)度時(shí)，鋼管混凝土達(dá)到破壞強(qiáng)度，計(jì)算破壞強(qiáng)度σpz=75.48 MPa。相同鋼管面積率時(shí)，改變鋼管直徑和厚度，其他條件不變，計(jì)算結(jié)果不出現(xiàn)尺寸效應(yīng)。

為與室內(nèi)試驗(yàn)相比較，混凝土的強(qiáng)度應(yīng)采用實(shí)際抗壓強(qiáng)度。例如工地上配制的C50鋼管混凝土，混凝土的實(shí)際抗壓強(qiáng)度為80 MPa，對(duì)于直徑為1 200 mm，厚28 mm的鋼管，特征點(diǎn)的應(yīng)力分別為σsz1=97.54 MPa，σsz2=96.54 MPa和σsz3=104.44 MPa;對(duì)于直徑為150 mm，厚3.5 mm的鋼管混凝土試件，特征點(diǎn)的應(yīng)力分別為σsz1=95.76 MPa，σsz2=94.77 MPa和σsz3=102.18 MPa。兩者有微小差別，與大尺寸鋼管中混凝土的剛度較大有關(guān)。

2 結(jié)語(yǔ)

從以上分析及計(jì)算結(jié)果可看出，本研究所用的計(jì)算方法，除采用彈性本構(gòu)關(guān)系外，并沒(méi)有引入其他新的假設(shè)，得到的鋼管混凝土屈服應(yīng)力和破壞強(qiáng)度與已有的試驗(yàn)研究結(jié)果相符。與已有結(jié)果相比，本研究提出的計(jì)算方法，公式更簡(jiǎn)潔，所采用的計(jì)算參數(shù)更少，各參數(shù)的物理意義更明確，還能對(duì)鋼管與核心混凝土各階段的應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行分析，結(jié)果更豐富。將該計(jì)算方法推廣應(yīng)用，可以將鋼管混凝土應(yīng)力及極限承載力的理論研究推進(jìn)一大步。

參考文獻(xiàn)：

[1]鐘善桐.鋼管混凝土統(tǒng)一理論研究與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[2]陳寶春.鋼管混凝土拱橋[M].北京：人民交通出版社，2016.

[3]韓林海，陶 忠，王文達(dá).現(xiàn)代組合結(jié)構(gòu)和混合結(jié)構(gòu)-試驗(yàn)、理論和方法[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

[4]GB50923-2013，鋼管混凝土拱橋技術(shù)規(guī)范[S].

收稿日期：2020-06-10