脫空對鋼管混凝土拱橋受力性能影響研究.pdf

1、鋼管混凝土拱橋的脫空問題是常見而復(fù)雜的工程實際問題。本文針對脫空對鋼管混凝土拱橋受力性能的影響問題進(jìn)行了一系列的理論與實例分析。建立了鋼管混凝土拱橋拱肋鋼管與混凝土之間完全脫粘的計算模型：研究了脫空產(chǎn)生的原因；脫空對受力性能的影響程度；并在此基礎(chǔ)上提出了經(jīng)濟(jì)有效的脫空治理措施。主要研究成果如下： (1)基于平面應(yīng)變理論，推導(dǎo)了鋼管混凝土構(gòu)件在軸向壓力、溫度荷載和核心混凝土收縮作用下界面拉應(yīng)力和剪應(yīng)力的計算公式，以常用材料和截面尺

2、寸的鋼管混凝土構(gòu)件為例進(jìn)行了界面應(yīng)力和脫空高度的計算。計算結(jié)果表明：對鋼管混凝土拱橋而言，脫空主要是由于溫度荷載和核心混凝土收縮引起的界面拉應(yīng)力超過界面粘結(jié)強(qiáng)度而引起的，如果不采取任何措施，鋼管混凝土拱橋鋼管與核心混凝土界面出現(xiàn)部分脫空是必然的。 (2)提出了鋼管混凝土拱橋完全脫粘的計算模型，鋼管混凝土拱橋?qū)嶋H的受力性能應(yīng)該介于完全脫粘與完全粘結(jié)之間?；谕耆撜臣僭O(shè)，提出了采用有限元方法計算鋼管與核心混凝土之間徑向分布荷載的思

3、路和計算公式，并給出了計算實例。 (3)基于鋼管與核心混凝土界面完全脫粘計算模型，采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法推導(dǎo)了鋼管與核心混凝土的內(nèi)力分布和內(nèi)力分配的計算公式。對于等截面單圓管拱肋完全脫粘后鋼管與核心混凝土任一截面的總內(nèi)力與完全粘結(jié)時相等；鋼管與核心混凝土彎矩之比等于其抗彎剛度之比；鋼管與核心混凝土軸力之比不一定等于其拉壓剛度之比。對于桁式鋼管混凝土拱橋完全脫粘后鋼管與核心混凝土任一截面的總內(nèi)力與完全粘結(jié)時不相等，彎矩與軸力之比均不等于

4、其抗彎剛度與拉壓剛度之比。 (4)基于鋼管與核心混凝土界面完全脫粘計算模型，采用虛功原理對鋼管混凝土拱肋的剛度變化進(jìn)行了理論分析。對于等截面單圓管拱肋鋼管與核心混凝土界面完全脫粘基本上不會引起結(jié)構(gòu)剛度降低；對于桁式拱肋鋼管與核心混凝土界面完全脫粘會引起結(jié)構(gòu)剛度降低，降低的程度跟矢跨比、桁高、鋼管截面以及荷載作用方式等因素有關(guān)。 (5)基于鋼管與核心混凝土界面完全脫粘計算模型，推導(dǎo)了鋼管與核心混凝土徐變自應(yīng)力的計算公式，提

5、出了采用有限元方法計算鋼管與核心混凝土的徐變次內(nèi)力和次應(yīng)力，并進(jìn)行了實例分析。分析結(jié)果表明：對于等截面單圓管鋼管混凝土拱肋和桁架式拱肋，收縮徐變完成后完全脫粘與完全粘結(jié)兩種情況下鋼管與核心混凝土的內(nèi)力差別比成橋時更??；完全脫粘和完全粘結(jié)兩種情況溫度荷載產(chǎn)生的內(nèi)力增量是不同的，其中桁架式拱肋兩種情況下的溫度效應(yīng)差別更加明顯。對于等截面單圓管鋼管混凝土拱肋，完全脫粘時溫度荷載產(chǎn)生的豎向位移與完全粘結(jié)時產(chǎn)生的豎向位移基本一致；對于桁架式鋼管混

6、凝土拱肋，完全脫粘時溫度荷載產(chǎn)生的跨中豎向位移略大于完全粘結(jié)時產(chǎn)生的跨中豎向位移。 (6)編寫了鋼管混凝土拱橋面內(nèi)極限承載力計算程序，該計算程序可以模擬鋼管與核心混凝土界面完全脫粘，并以模型試驗結(jié)果對該程序的正確性進(jìn)行了考證。分別以一單圓管截面鋼管混凝土拱橋和一桁架式鋼管混凝土拱橋為例分析了鋼管與核心混凝土界面完全脫粘對面內(nèi)極限承載力的影響。對于單圓管鋼管混凝土拱肋，僅在全跨均布荷載作用下面內(nèi)極限承載力有明顯的降低，降低百分比為

7、10％左右；對于桁架式鋼管混凝土拱肋，在各種類型荷載作用下，面內(nèi)極限承載力均降幅較大，降低百分比在20％～60％之間。鋼管與核心混凝土界面完全脫粘對桁架式鋼管混凝土拱肋的影響大于對單圓管截面鋼管混凝土拱肋的影響。 (7)提出了沿拱肋設(shè)置有限個內(nèi)法蘭構(gòu)造限制鋼管與核心混凝土之間的軸向滑移，在混凝土中添加膨脹劑減小脫空高度的辦法來應(yīng)對脫空對受力性能的不利影響，提出了內(nèi)法蘭構(gòu)造的形式，內(nèi)法蘭構(gòu)造強(qiáng)度和剛度的設(shè)計方法。以茅草街大橋和一等