初应力对哑铃型钢管混凝土拱承载力的影响

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第3期(总第146期)2010年6月中圄彳后支2有No．3(SerialNo．146)CHINAMUNICIPALENCINEERING．1un．2010初应力对哑铃型钢管混凝土拱承载力的影响王新忠1-2。周水兴3(1．湖南城-a't院，湖南益阳413000；2．长沙理工大学，湖南长沙410076；3．重庆交通大学，重庆400074)摘要：根据钢管混凝土拱桥特点。采用包含初应力的实体一空间梁单元法来计算哑铃型钢管混凝土拱桥承载力的方法，计算3种哑铃型拱肋．分析了不同初应力系数、不同含钢率和不同跨径的因素对哑铃型钢管混凝土拱桥承载力影响规律，结果表明。初应力导致拱肋的极限承载力下降。关键词：钢管混凝土拱桥；哑铃型；钢管初应力：初应力系数；承载力影响系数中图分类号：U448．220．12文献标识码：A文章编号：1004—4655(2010)03—0027—03双肢哑铃型截面抗压刚度大．且承压面距中心轴较远．使纵向抗弯刚度大。占用桥面空间少。是一种理想的断面形式．适用于80．120m跨度的拱桥。成桥前钢管因承受自重和湿混凝土重量，不可避免地产生钢管初应力．使钢管屈服提前．从而影响到钢管混凝土拱桥的承载力．在极限承载力分析中应予以考虑。1基本假定与求解策略，1．1钢管混凝土拱桥极限承载力计算的基本假定1)钢管和混凝土粘结良好，没有出现脱空。不发生相对滑移和变形。2)在外荷载作用下钢管与混凝土变形协调，扭转角相同．3)截面形状与面积在变形前后不发生变化：从加载到失稳破坏整个过程中平截面假定成立。4)扭转变形只考虑自由扭转。忽略扭转引起的翘曲变形。扭转后单元横截面仍保持平面。5)只考虑圆截面钢管混凝土拱肋。6)截面形心与扭转中心重合，忽略施工过程中混凝土浇筑阶段两者的偏离。计算中。假设钢管和混凝土之间完全粘结。在分析钢管混凝土拱桥极限承载力时，认为钢管与混凝土没有发生相对滑移和变形。有少数研究者在钢与混凝土单元之间加入滑移单元(Slip—element)或间隙单元(Gap-element)来研究钢管混凝土结构，但研究结果表明．考虑界面的黏结滑移性能对钢管混凝土结构的整体性能影响甚微。收稿El期：2009—12-07第一作者简介：王新忠(1976一)，男，河南南阳人，博士研究生。从事桥粱工程教学与研究。112线形求解策略当钢管混凝土处于弹性阶段时．钢管和混凝土均处于单向受压工作。由于混凝土泊松比地<钢管泊松比地，因此，钢管与混凝土之间无侧向力产生，两者共同承受纵向压力。当钢管混凝土处于弹塑性阶段时．钢管首先进入塑性。混凝土内部发生微裂并不断发展，M>玩，两者间产生了逐渐增大的相互作用的紧箍力．使钢管和混凝土处于三向受压状态．混凝土呈现出良好的塑性。构件的整体性没有破坏，平截面假定成立。对空间梁单元．计入扭转变形时．单元横截面将会发生翘曲变形。为简化分析，本文忽略此变形。根据钢管混凝土拱桥的构造和施工特点．无论是单肢、哑铃型还是多肢钢管混凝土拱肋。最终都会在钢管和混凝土中产生应力。这种应力既有后续混凝土灌注产生的，也有桥道系施工产生的．还有混凝土徐变、收缩产生的。这些应力对极限承载力的影响．均视为初应力。由于钢管混凝土中钢管与核心混凝土的应力状态各不相同．所以需要采用钢管和混凝土两种空间梁单元来反映不同的应力状态。对拱桥而言，在拱肋达到极限承载力之前．并非所有单元同时达到塑性阶段．而是在受力最大的截面上首先进入(其他单元仍存在弹性阶段)．为此在极限承载力分析时。需引入弹甥性阶段的单元．即采用实体一空间梁单元，其余为普通空间梁单元。1．3非线性求解策略极限承载力分析的实质就是材料非线性和几何非线性分析。采取的策略是：对整体结构采用几何非线性分析．对实体一空间梁单元采用材料非线性分析。理由是：处于弹性状态的空间梁单元．钢管与核心混凝土之间不会产生套箍效应．本身不存在27 寺圄于跋暑张王新忠，周水兴：初应力对哑铃型钢管混凝土拱承载力的影尊2010年兰二!材料非线性问题．只有几何非线性问题；处于弹塑性状态的实体一空间梁单元，则需要考虑材料非线性问题．而且该单元本身又处在整体分析的几何非线性中。2考虑初应力时单圆钢管混凝土拱极限承载力有限元方程单圆钢管混凝土拱桥中．钢管与核心混凝土中均将产生初应力。混凝土徐变会减小核心混凝土的应力值．但会增大钢管的应力值。故考虑初应力的承载力有限元方程为([K引+【群1+[K；】){∞)产f△P}i(1)式中：[K：]为计入钢管与核心混凝土初应力的实体一空间梁单元切线刚度矩阵；【群l为计入钢管初应力的切线刚度矩阵；【K：】为计人核心混凝土初应力的切线刚度矩阵；{△6}j为节点位移增量列阵；{△P)i为载荷增量列阵。3考虑初应力的钢管混凝土本构关系3．1钢管本构关系对于钢管．采用理想弹塑性应力一应变关系和双线性随动强化准则来模拟。当材料流动阶段较长而结构应变又不太大时．可以忽略强化阶段，简化为理想弹塑性材料。其应力应变关系为Ior=E6(当⋯≤8y)。1矿=O'y(占y的通知》(建标函【2008】24号)的要求。由住房城乡建设部城市建设司组织编制的《城市公共停车场工程项目建设标准》，已经有关部门会审，现批准发布，自2010年7月1日起施行。本建设标准的管理由住房城乡建设部和国家发展改革委负责．具体解释工作由住房城乡建设部负责。中华人民共和国住房和城乡建设部中华人民共和国国家发展和改革委员会二。一。年三月九日29