鋼管混凝土桁架脫空影響分析

侯 寧

(林同棪國際工程咨詢(中國)有限公司，重慶 401121)

0 引 言

鋼管混凝土具有承壓性能好的優點，廣泛的用于以受壓為主的拱肋、橋墩、橋塔等結構中。桁架結構中的桿件同樣以軸向軸力為主，因此將鋼管混凝土結構用于桁架中，可以充分發揮其結構特點，提高桁架的抗彎剛度和抗彎承載力[1]。對于鋼管混凝土桁架，國內外學者[2，3]進行了一系列試驗和理論研究。雒建哲[4]探討了鋼管混凝土桁架的設計方法，劉永健[5]則對實際工程中的鋼管混凝土組合桁梁橋進行了試驗研究。Huang[6]采用試驗研究的方法分析了管內混凝土脫空對抗彎性能帶來的影響。陳寶春[7-9]對不同腹桿布置的桁架承載力進行了試驗研究，韓林海[10，11]則提出了適用于鋼管混凝土的管內混凝土本構關系。

1 鋼管混凝土脫空

鋼管混凝土結構承壓性能的優勢在于其套箍作用的充分發揮。當鋼管混凝土結構在受壓狀態下達到塑性階段時，由于混凝土的側向膨脹，鋼-混界面之間出現了擠壓力，進而產生了套箍效應。但在實際工程中，由于桁架結構的尺寸較大，通常先行架設桁架結構，再進行管內混凝土的施工。用于橋梁工程中的桁架通常水平放置，提高了管內混凝土的施工的難度。桁架管內混凝土的施工密實程度可能得不到有效的保證。同時施工完成后的混凝土還會發生收縮徐變，這也會導致桁架桿件內的混凝土出現部分的脫空現象，影響鋼管混凝土結構性能的充分發揮。

2 有限元模擬分析

采用有限元分析軟件ABAQUS建立了實體與板殼相結合的高精度鋼管混凝土桁架有限元模型，對存在脫空現象的鋼管混凝土桁架進行了有限元的力學性能分析對比。

2.1 工程背景

參考汶川克馬大橋為工程背景，建立有限元模型進行分析。克馬大橋為鋼管混凝土組合桁梁簡支梁橋，橫斷面采用了矩形斷面。為便于有限元分析，選取了單片桁架進行建模。為便于直觀的分析混凝土脫空的影響，僅建立了桁架模型，并適當加大了上弦桿截面以便于施加荷載。

用于算例分析的組合桁梁跨徑為30 m，桁高3.5 m，高跨比為1/8.6。腹桿采用三角形的Warren桁架布置，傾角為60°。桁架上弦桿外徑500 mm，壁厚15 mm，下弦桿外徑570 mm，壁厚20 mm。斜腹桿外徑為402 mm，壁厚為16 mm，豎腹桿外徑為420 mm，壁厚20 mm。上弦節點的支主管寬度比為0.8，下弦節點的支主管寬度比為0.6。K型節點間隙為200 mm。上、下弦桿內填混凝土，腹桿則采用空鋼管結構。組合桁梁截面尺寸如圖1所示。

圖1 組合鋼桁梁示意(單位：mm)

2.2 有限元模型

采用ABAQUS建立鋼板組合梁的實體與板殼結合的精細化分析有限元模型。鋼桁架采用殼單元S4R建立，管內混凝土采用C3D8R實體單元建立。鋼桁梁下弦桿兩端施加簡支的邊界條件。管內混凝土和鋼管內壁界面施加接觸的相互關系，摩擦系數μ=0.6。管內混凝土網格尺寸為80 mm，并在橫斷面的法向進行了局部加密，保證了模擬精度。鋼桁架單元網格尺寸同樣為80 mm。本文僅對桁架在正常使用極限狀態下的力學性能進行分析，因此僅建立了彈性模型。鋼材等級為Q345，彈性模量按206 000 MPa計取，泊松比為0.283。混凝土標號為C40彈性模量按34 500 MPa計取，泊松比為0.167。

為考慮管內混凝土的脫空作用，一共建立了3片桁架試件。由于試件水平放置后，上、下弦桿灌注混凝土的施工及養護條件相似，因此采用削弱管內混凝土頂緣截面面積的方式來模擬混凝土的脫空作用。其中試件A用于脫空作用的對比，其弦桿內混凝土未發生脫空，桿件截面為密實截面；試件B為管內混凝土發生了部分脫空現象，脫空后的管內混凝土的截面高度為試件A的80%；試件C為管內混凝土發生了較為嚴重的脫空現象，脫空后的管內混凝土的截面高度為試件A的60%。試件采用跨中節點荷載的方式進行加載，施加荷載大小為100 t。試件A、B、C的的有限元模型如圖2所示。

圖2 考慮脫空的鋼桁梁ABAQUS有限元模型

2.3 結果分析

圖3給出了試件A～C的應力分布云圖。由圖3可得，試件A的整體應力水平較小，而試件B、試件C的應力水平較大。其中試件B、C的跨中下弦桿的軸向應力對比試件A分別提高了7%和10%。上弦桿的最大應力則分別提高了11%和15%，斜腹桿的最大應力分別提高了15%和22%。由此可得即使出現了較小的脫空現象，對于桁架桿件的應力水平的影響較為顯著。圖3同時還給出了不同試件中管內混凝土的應力云圖。由圖3可得隨著管內混凝土脫空程度的不同，混凝土的受力模式差別不大，均為跨中應力較大而兩端較小。其中試件B的下弦桿內混凝土則在節點處出現了較為明顯的應力集中現象，而試件A和C中該現象并不顯著。

圖3 不同試件應力云圖對比

將圖3中的應力云圖中的數據進行提取，并進行橫向的對比，可得圖4不同試件桁架桿件的軸向應力比以及圖5不同試件的管內混凝土軸向應力比。

圖4 不同試件桿件應力比

由圖4可得，隨著管內混凝土脫空程度的提高，鋼管桁架桿件的整體應力水平也隨之提高。管內混凝土脫空程度最大的試件C的上下弦桿和腹桿的應力水平在3個試件中均為最大值。管內混凝土脫空程度較小的試件B的桿件應力水平也均大于未發生脫空的試件A。因此由圖4可得，管內混凝土的脫空會直接導致鋼管桁架應力水平的提高。

在豎向加載時，上弦桿內混凝土受壓，下弦桿內混凝土受拉。由圖5可得隨著脫空程度的提高，上弦桿內混凝土的應力水平呈上升趨勢。試件B和試件C相對于試件A的上弦桿內混凝土應力水平分別提升了10%和13%。但對于下弦桿，隨著管內混凝土脫空程度的提高，應力水平反而有下降的趨勢，且下降幅度較為明顯。試件B和試件C相對于試件A的下弦桿內混凝土的應力水平下降幅度分別為36%和39%。這與上弦桿的加載模式也存在一定關系。

圖5 不同試件管內混凝土應力比

圖6給出不同試件的變形圖。由圖可得，管內混凝土的脫空并未改變試件的撓曲線形狀，但撓曲線的幅值發生了改變。對于試件A來說其跨中最大撓度僅為3 mm左右。對于試件B和試件C的跨中最大撓度得到了顯著增加，分別達到了8 mm和9 mm左右。由此可得管內混凝土的脫空現象對于鋼管桁架的剛度影響較為顯著。而不同的脫空程度下，桁架的撓度曲線變化則并不明顯。因此在鋼管混凝土施工階段，應密切關注管內混凝土的施工質量，并在施工完成后進行檢驗，在可能出現脫空的區域還應采取二次灌注等方法進行處理，保證鋼管混凝土桁架的力學性能達到設計要求。

圖6 不同試件撓曲線對比

3 結 論

對受管內混凝土脫空影響的鋼管混凝土桁架的抗彎性能進行了有限元研究。提出了管內混凝土脫空的ABAQUS有限元模型模擬方法，采用了削弱管內混凝土截面面積的方法來考慮水平放置桁架管內混凝土的脫空情況，并根據不同的脫空模式設置了不同的截面面積削弱程度。

根據有限元分析結果，提取了不同試件的桁架應力云圖和管內混凝土的應力分布云圖，根據計算結果提取了桁架不同桿件以及管內混凝土的不同脫空程度試件的應力比值進行對比分析。結果表明弦桿內混凝土脫空可增大鋼管的軸向應力，其軸向應力的變化幅度與管內混凝土的脫空程度相關。隨著脫空程度的提高，上弦桿內混凝土的應力水平呈上升趨勢。但對于下弦桿，隨著管內混凝土脫空程度的提高，應力水平反而有下降的趨勢，且下降幅度較為明顯。這與上弦桿的加載模式也存在一定關系。

鋼管混凝土桁架抗彎剛度受管內混凝土脫空的影響顯著，在鋼管混凝土施工階段，應密切關注管內混凝土的施工質量，并在施工完成后進行檢驗，在可能出現脫空的區域還應采取二次灌注等方法進行處理，保證鋼管混凝土桁架的力學性能達到設計要求。