钢管混凝土拱肋截面承载力分析.doc

精品论文大集合钢管混凝土拱肋截面承载力分析汪发根 华东交通大学，南昌（330013） E-mail：26262941qq.com摘要：本文根据杭州钱塘江四桥 85m 跨径的钢管混凝土拱桥的截面形式，对设置纵肋后 的普通圆钢管混凝土小偏心受压构件进行系统分析，研究的主要参数是纵肋数量、纵肋高度 以及纵肋厚度。通过采用有限元软件 ANSYS 计算分析得出，普通圆钢管混凝土设置纵肋后， 其偏压承载力能提高 10%15%，偏压承载力提高值受纵肋与钢管壁面积比影响，比值越大， 偏压承载力提高越多，但是纵肋部份的钢材强度越不能充分发挥，统计分析结果显示纵肋与 钢管壁面积比在 0.5690 以下比较好。纵肋作为加强钢管刚度的部件，设置纵肋后提高的承 载力作为安全储备是正确合适。关键词：钢管混凝土；ANSYS；有限元；带肋截面；承载力 中图分类号：TU1引言钢管混凝土拱桥以其跨跃能力大、适应能力强、承载能力大、施工快捷、地基适应能力 强、造型优美等优点而在短短十几年的时间里得到飞速发展，使得对钢管混凝土的研究也越 来越深入和广泛。在大直径钢管混凝土拱桥中，由于管径过导致在混凝土浇筑后但未形成强 度前或在工程投入使用后产生局部屈曲，在工程中应尽量采取合理的构造措施，如杭州钱塘 江四桥在钢管内设置6条高250mm厚22mm的纵肋。随着钢管混凝土拱桥跨径地增大，钢管 的尺寸也在增大，需要设置的纵肋的数量和尺寸就需要相应地变化。由于带肋钢管混凝土截 面是桥梁工程中一种新型截面形式，为此有必要根据钢管混凝土拱桥的受力特点对带肋钢管 混凝土拱肋截面形式进行研究。钢管混凝土拱桥的拱肋在建造及使用过程受到的作用是轴力和弯矩联合作用的偏心受 压。在工程上应用较多的则是根据JTJ022851和JTJ023852对钢管混凝土拱桥 进行正截面强度验算和稳定验算。强度验算时考虑偏心距对纵向压力的影响，并对偏心距进 限制；稳定验算时，将肋拱拟合成一根等效长度的简支压杆，然后应用截面塑性破坏的弯矩、 轴力相关曲线计算其失稳极限荷载的近似计算方法。因此本文主要对带肋圆钢管混凝土短柱 小偏心受压时的受力状况进行分析。由于受试验条件和规模的限制，不可能通过试验对各种情况进行分析，而且进行物理试 验周期长、成本高，试验数据的积累将是一个漫长的过程;另一方面随着计算机技术的迅猛 发展，一些结构有限元分析软件日趋成熟，计算精度日趋提高，随着有限元数值分析方法及 电子计算机应用技术的进步，人们已经可以对结构作出比较精确的弹塑性分析，对结构试验 进行计算机模拟。鉴于上述原因，本文主要采用有限元软件ANSYS进行数值试验。本文分析研究了纵肋数量、纵肋厚度、纵肋高度等对带肋钢管混凝土截面承载力的影响 规律。2建模及求解在有限元建模过程中，在明确了需要研究的各参数之后还需要确定所用材料的本构关系 以及模型各部份所用的单元形式和相应的参数。在有限元求解过程中需要设置收敛标准、加 载方式、荷载步等求解选项。本文建模时采用的原型截面尺寸为钢管外直径 1700mm，钢管壁厚 22mm，纵肋数量为- 6 -12 条，纵肋高度为 50mm，纵肋厚度 22mm，混凝土强度等级为 C50，偏心距为 150mm，由于工程常使用 Q345，故钢材型号不作为试验参数。当研究其中某一参数时，仅该参数做 相应的变化，其他尺寸保持为原型截面尺寸。各参数变化值见表 1表 6。表 1 试验参数纵肋数量Tab.1 Parameter of experimentquantity of length wise ribs纵肋数量6810121416纵肋面积（mm2)330004400055000660007700088000截面钢材面积（mm2)148990159990170990181990192990203990表 2 试验参数纵肋高度Tab.2 Parameter of experimentheight of length wise ribs纵肋高度（mm）150200250300纵肋面积（mm2)39600528006600079200截面钢材面积（mm2)155590168790181990195190表 3 试验参数纵肋厚度Tab.3 Parameter of experimentthickness of length wise ribs纵肋厚度（mm）1822263035纵肋面积（mm2)45005500650075008750截面钢材面积（mm2)120490121490122490123490124740ANSYS 程序中分析钢材的弹塑性问题采用的 Von-Mises 屈服准则3,钢材的本构关系在 本文中采用五段式钢材本构关系4。钢管采用八节点实体单元 Solid45 单元模拟，钢管的弹性属性选择各向同性材料，弹性模量按照规范给定的取值 2.0X105MPa，泊松比取 0.283。混凝土单元采用八节点实体单元 Solid65 单元模拟。混凝土的破坏准则采用在 ANSYS 程序中默认的混凝土破坏准则William-Warnke 破 坏准则5，本构关系采用普通圆钢管混凝土的约束混凝土本构关系6。混凝土的弹性模量， 单轴抗压强度和单轴抗拉强度按我国混凝土结构设计规范确定，泊松比根据韩林海提出的核心混凝土泊松比 c 的计算公式：0.173 20c 0.173 + 0.7036( c 0.4)1.5 () 0.55 + 0.25( fck 33.5 )033.5 > 0.55 + 0.25( fck 33.5 ) 0fck033.5在分析时关闭混凝土的压碎功能。为了便于解决迭代的收敛问题，开口裂缝剪力传递系 数取为 0.35，闭口裂缝剪力传递系数取为 0.9 较为合理。对于钢材的单元划分，纵肋沿高度方向划分为 2 个单元，厚度方向为 1 个单元；钢管壁在被纵肋分割的区间内沿周长方向划分为 2 个单元（6 片纵肋的为 3 个单元），厚度方划为 1 个单元，在纵肋与钢管焊接的部份确定为 1 个单元，所有材料属性为钢材的部分均采用映射 划分。对于混凝土部分的单元划分，从钢管内壁向圆心方向被纵肋所分隔的部分，其单元划分 与对应的钢材部分的单元划分相同，而未被纵肋分隔的中心混凝土采用自由划分，整个试件 沿轴向划分为 30 个单元。由于 Solid65 单元上直接加载集中力容易导致计算时应力过大而出现计算错误，为此，在 Z 轴方向上，距离试件顶端 30mm 处新建一个节点，该节点在 YOZ 平面上，与 X 轴的距 离即为偏心距。新建立的的节点与试件顶点的每一个节点采用刚性梁单元 Mpc184 连接起 来，形成一个刚性面。荷载加在新建节点上，采用位移加载法，偏心受压的有限元模型如图1 所示。求解方法选择稀疏矩阵直接解法。Newton-Raphson 选项选用完全的牛顿-拉普森处理方 法，打开自适应下降。由于在本文中，钢材和混凝土分别属于不同材料且处于分离模式，所 以采用应力软化。在加载初期，位移收敛准则以位移加载值的 3%作为收敛标准；在开裂前 后，放宽收敛标准，以位移加载值的 5%作为收敛标准；范数采用无穷范数。对于力收敛准 则的设置，容差设置同位移收敛准则。图 1 偏心受压的有限元模型Fig4 The model under the eccentric loading compression of FEM3实验及结果分析增加纵肋数量而使截面的钢材用量增加，并且由于纵肋数量的增加，改变了原有纵肋的 分布形式，纵肋间距减小，通过表 4 反映出，试件的偏压承载力在不断地提高。表 4 不同纵肋数量带肋钢管混凝土偏压承载力Tab.4 The value of different quantity of Rib-CFST under eccentric loading compression纵肋数量 n6810121416偏压承载力(KN)130545133736136903141119144548147683表 5 不同纵肋数量带肋钢管混凝土偏压承载力与普通钢管混凝土的比较Tab.5 The comparison of different quantity of ribs between ordinary CFST and Rib-CFST纵肋数量 n6810121416纵肋与钢管壁面积之比0.28450.37930.47420.56900.66390.7587普通圆空钢管的偏压承载力351963519635196351963519635196普通圆钢管混凝土的偏压承载力(KN)126358126358126358126358126358126358带肋 CFST 与普通 CFST 的偏压承载力差(KN)4187737810545147611819021325/0.11900.20960.29960.41940.51680.6059从表 5 中可以看出，当纵肋数量在变化时，纵肋与钢管壁面积之比也在不断变化之中，带肋钢管混凝土相对于普通圆钢管混凝土的偏压承载力增加值与普通圆空钢管的偏压承载 力的比值均小于纵肋与钢管壁面积比值 0.150.17，纵肋部份的钢材的承载力损耗比较大。 通过改变纵肋数量而改变纵肋与钢管壁面积比值的方法对纵肋部份钢材承载力的损耗影响 改变并不大。根据表 6 不同高度纵肋试验数据统计结果可以得出：纵肋高度数值越大，其偏压承载力 越高。表 6 不同纵肋高度带肋钢管混凝土偏压承载力Tab.6 The value of different height of Rib-CFST under eccentric loading compression纵肋高度 h(mm)150200250300偏压承载力(KN)134412136950141119143086从表 7 可以发现，纵肋高度大于 250mm 时，纵肋与钢管面积之比大于 0.5690，普通圆钢管混凝土设置纵肋后其偏压承载力增加量仅相当同型号尺寸空钢管偏压承载力 0.4753，纵 肋部份钢材的强度作用未能充分发挥，有超过 20%的损耗。而当纵肋高度不大于 250mm 时， 只有不超过 15%的损耗，且纵肋高度越小，其损耗越小。表 7 不同纵肋高度带肋钢管混凝土偏压承载力与普通钢管混凝土的比较Tab.7 The comparison of different height of ribs between ordinary CFST and Rib-CFST纵肋高度 h(mm)150200250300纵肋与钢管壁面积之比0.34140.45520.56900.6828普通圆空钢管的偏压承载力35196351963519635196普通 CFST 偏压承载力(KN)126358126358126358126358带肋 CFST 与普通 CFST 的偏压承载力差(KN)8054105921476116728/0.22880.30090.41940.4753根据试验结果可知，改变纵肋厚度对于试件偏压承载力的改变是比较大。从表 8 中可以看出，偏压承载力增加最多的是纵肋厚度从 18mm 增加至 22mm 时，当厚度大于 22mm 时， 偏压承载力增加的幅度有降低的趋势。表 8 不同纵肋厚度带肋钢管混凝土偏压承载力Tab.8 The value of different thickness of Rib-CFST under eccentric loading compression纵肋厚度 s(mm)141822263035偏压承载力(KN)132491135118141119143800145770147689从表 9 中可以知道，只有在纵肋与钢管壁面积之比为 0.5690，纵肋厚为 22mm 时，其纵肋部份钢材的强度承载力损耗是最少是，仅为 15%；当纵肋与钢管壁面积之比小于 0.5690 时，其承载力损耗在 20%左右；当纵肋与钢管壁面积之比大于 0.5690 时，其承载力损耗逐 渐增大，当纵肋与钢管壁面积之比达到 0.9 时，其承载力损耗达到 30%，损耗非常大。由于 可知，通过增加纵肋厚度的方法增加纵肋与钢管壁的面积比从而达到增加偏压承载力的途径 是非常不可取的。表 9 不同纵肋厚度带肋钢管混凝土偏压承载力与普通钢管混凝土的比较Tab.9 The comparison of different thickness of ribs between ordinary CFST and Rib-CFST表 9 纵肋厚度变化普通 CFST 与带肋 CFST 的比较纵肋厚度 s(mm)141822263035纵肋与钢管壁面积之比0.36210.46560.56900.67250.77590.9053普通圆空钢管的偏压承载力351963519635196351963519635196普通 CFST 偏压承载力(KN)126358126358126358126358126358126358带肋 CFST 与普通 CFST的偏压承载力差(KN)6133876014761174421941221331/0.17430.24890.41940.49560.55150.60614总结综合所有结果分析可以知道，普通圆钢管混凝土在设置纵肋后，其偏压承载力都有少 许提高。纵肋与钢管壁的面积比越高其承载力越高，但是其纵肋部份的钢材强度越不能充分 发挥，纵肋与钢管壁的面积比应控制在 0.5690 以下。纵肋数量变化时，其纵肋部份承载力 损耗都在 15%左右；由于是小偏压，纵肋高度变化时的纵肋部份承载力损耗要小于纵肋厚 度变化时的情况，但要大于纵肋数量变化时的情况。由于设置纵肋后对偏压承载力提高不多， 且纵肋与钢管壁的面积比控制在 0.5690 以下时，其纵肋部份钢材强度承载力损耗不多，所 以将纵肋用作提高钢管的刚度，并把这部份的承载力提高作为安全储备是合适。参考文献1 JTJ02285,公路砖石及混凝土桥涵设计规范S.北京:交通部,1985.2 JTJ02385.公路钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土桥涵设计规范S.北京:交通部,1985.3Comite Euro-International du Beton. Bulletin D' information N0.213/214 CEB-FIP Model code 1990 (ConcreteStructures).Lausanne, May 1993. 4徐兴,程晓东,凌道盛.钢管混凝土轴心受压构件极限承载力的有限元分析.固体力学学报,2002.12, 23(4):419424. 5江见鲸,陆新征,叶列平.混凝土结构有限元分析M.北京:清华大学出版社,2005.7. 6韩林海. 钢管混凝土结构M. 科学出版社,1994.7徐鹤山,ANSYS 在建筑工程中的应用M.北京:机械工业出版社,2005. 8.Analysis of bearing capacity of section of arch rib of CFSTarch bridgesWang FagenSchool of Civil Engineering, East China Jiaotong University, Nanchang,(330013)AbstractThis paper provides a systematic analysis of ordinary round CFST after to set up length wise ribs under small eccentric loading compression according to the section of the CFST arch bridge called forthbridge of Qiang Tang River in Hang Zhou whose span is 85m, the main parameters of analysis include the quantity 、the height and the thickness of length wise ribs. We can draw a conclusion aftercalculation and analysis by utilize the software of FEM that after set up ribs the bearing capacity of ordinary round CFST has a increase of 10%15%, the increase of bearing capacity under smalleccentric loading compression is affected by the proportion of area of length wise ribs and steel tube, the bigger the proportion is ,the higher the bearing capacity under small eccentric loading compression is, but the strength of steel of length wise ribs cant be educed fully, the results of statistics indicate that the proportion of area of length wise ribs and steel tube is better. The method is correct and suitable that the length wise ribs are set up as a component of to reinforce the rigidity, and the increase of ordinary round CFST after be set up length wise ribs be considered as the guarantee of safety.Keywords: CFST; ANSYS; FEM; section with length wise ribs; bearing capacity作者简介：汪发根，男，1981 年生，硕士研究生，主要研究方向是带肋钢管混凝土拱桥。