復(fù)合鋼管砼計算方法與應(yīng)用

1、復(fù)合鋼管砼計算方法在橋梁中的應(yīng)用伍尚干陳春林伍佳玉吳清明1、前言我國鋼管砼的研究和應(yīng)用都已取得了很大的成果，鋼管和砼的相互組合應(yīng)用，可以克服砼的脆性和鋼管的穩(wěn)定問題，能夠充分發(fā)揮兩種材料特點，園形鋼管的緊箍力還能提高砼的承載力，是一種很合理的材料使用方法。鋼管砼在施工過程中，能起到骨架、配筋和模板的作用，使結(jié)構(gòu)逐漸加強(qiáng)和形成，解決了大跨徑拱橋的施工困難，使拱橋施工變得簡便安全，所以在拱橋中獲得較快的發(fā)展。但是鋼管砼的應(yīng)用也不夠完善，計算中還存在一些問題，在使用中最突出的是鋼管的銹蝕，防護(hù)很麻煩，大直徑鋼管的用鋼量偏大，加工費較高，桁架結(jié)點的焊接處理困難，造價偏高，影響了鋼管砼的競爭與發(fā)展。2、

2、復(fù)合鋼管砼復(fù)合的定義是指兩種或多種材料，按一定的規(guī)則組合成整體。采用型鋼作勁性骨架，然后外包鋼筋砼，稱作鋼骨砼。采用鋼管砼作勁性骨架，然后外包鋼筋砼，同理可稱作鋼管砼骨架砼，將鋼筋砼與鋼管砼的結(jié)合稱作復(fù)合(即組合或結(jié)合)鋼管砼，名稱簡明直觀。這里所指的復(fù)合鋼管砼，是指主要以鋼管砼骨架受壓為主，承載力佔50%70%左右的強(qiáng)勁性骨架，即所謂的剛性骨架。它能充分發(fā)揮鋼管砼的優(yōu)點，克服了它存在的缺點。外包的鋼筋砼加大了截面剛度，按構(gòu)造和內(nèi)力需要配筋，起到參與受力和防護(hù)的雙重作用。使鋼管的加工方便，聯(lián)結(jié)的加勁處理靈活方便，再立模板澆筑外包砼也簡便，只相當(dāng)于加固和裝修工程?，F(xiàn)在鋼管砼拱橋的銹蝕防護(hù)，多以油

3、漆為主，也有噴鋅、鋁和高分子涂料的。前者能保持35年時間，因受陽光照曬的影響，褪色很快，影響美觀。后者能用25年時間，其價格很高。仍是砼的耐久性好, 施工靈活方便，造價較合理。外包的鋼筋砼對鋼管砼勁性骨架可起到一定的隔熱作用，鋼比相同條件的砼溫度要高15C以上，使勁性骨架受溫度的影響減弱，對勁性骨架的工作有利。鋼管砼拱橋受強(qiáng)度和穩(wěn)定的需要，多采用大直徑的鋼管，用鋼量偏大，造價也高。國內(nèi)第一座鋼管砼拱橋四川旺蒼大橋，采用就地加工和焊接制造，是較經(jīng)濟(jì)合理的。故采用較小管徑的復(fù)合鋼管砼，可簡化加工方法，再外包鋼筋砼形成所需的截面，按受力和構(gòu)造需要配筋，使結(jié)點處理方便，用鋼量較合理，是鋼管砼的合理應(yīng)用

4、形式?，F(xiàn)在鋼管砼僅用在單一的拱橋中，采用復(fù)合鋼管砼材料，可以在橋梁上得到廣泛的應(yīng)用。3、復(fù)合鋼管砼的發(fā)展復(fù)合鋼管砼的結(jié)構(gòu)形式，工程中已有應(yīng)用先例，拱橋中有用鋼管砼作骨架的鋼筋混凝土箱形拱，鋼管砼骨架起了重要的作用。但是，因為鋼管砼骨架還比較弱，它的截面積與砼截面積相比較小，在截面的強(qiáng)度計算中，未考慮鋼管緊箍力所起的承載力作用，只按鋼筋混凝土截面作簡化計算。另外一個原因是未搞清楚鋼管砼在鋼筋混凝土截面中的作用機(jī)理，還未建立起計算的方法，不便于計算。簡化計算并非不可，但是探究清楚鋼管砼在鋼筋混凝土截面中的作用，也是完全需要的。鋼管砼骨架弱時剛度較小，施工加載的過程也不夠安全。而強(qiáng)的勁性骨架剛度較大

5、，施工安全性好，充分發(fā)揮鋼管砼的主要承力作用，這就是復(fù)合鋼管砼所要提倡的。對于復(fù)合鋼管砼的截面，不計鋼管砼的特殊作用，顯然是不合理的，這是復(fù)合鋼管砼需要解決的問題。實際上鋼管砼與鋼筋砼結(jié)合的復(fù)合鋼管砼，在橋梁和建筑中有成功的應(yīng)用，與加固工程所用的原理基本相同，效果良好。4、復(fù)合原理復(fù)合鋼管砼與鋼骨砼有相似的原理，鋼管的緊箍力比鋼骨砼的型鋼更優(yōu)越，它實質(zhì)上是一種特殊形式的鋼骨砼。鋼管作為骨架使用，它的特殊截面形式，對管內(nèi)砼的環(huán)向緊箍力作用，能發(fā)揮材料的塑性性能，提高鋼管砼的承載能力。鋼骨砼的特性已有成熟的研究，其規(guī)律可供復(fù)合鋼管砼借鑒。筆者在“鋼管砼短柱強(qiáng)度計算新探”一文中，已將鋼管砼的承載力，

6、按材料強(qiáng)度實現(xiàn)了分離計算，將其應(yīng)用在復(fù)合鋼管砼中，也能實現(xiàn)復(fù)合鋼管砼的鋼管、內(nèi)填砼、徑向荷載、外包鋼筋砼的分離計算，實現(xiàn)鋼管砼和鋼筋砼組合材料的內(nèi)力疊加計算。設(shè)計假定：鋼管與外包砼之間結(jié)合良好，外包砼不能剝離，形成整體截面，兩者能夠協(xié)同工作。受拉和受壓鋼筋、鋼管采用理想彈塑性的平面應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。鋼管內(nèi)填砼飽滿。受拉區(qū)的砼不參加工作。鋼管砼受彎矩作用時，對應(yīng)縱向應(yīng)變?yōu)殇摴芗绊诺氖芰顟B(tài)與鋼管砼的軸心受力時相同，縱向應(yīng)變的鋼管及砼的受力狀態(tài)相同。鋼管砼作為勁性骨架，應(yīng)能承受主要的施工荷載，先發(fā)生較大的初始壓縮變形。 為了保證截面的整體性，外包砼的標(biāo)號應(yīng)用得較高，以便具有較強(qiáng)的粘結(jié)力。除受力鋼筋以外

7、，要加強(qiáng)箍筋和在鋼管上焊接錨固鋼筋，避免發(fā)生剝離破壞。外包砼的厚度不能太薄，砼太薄會影響粘結(jié)力的發(fā)揮，也要影響砼的澆筑操作。5、內(nèi)力疊加法 實踐證明鋼骨和鋼管砼的外包砼能夠結(jié)合為整體，構(gòu)件截面的應(yīng)變復(fù)合平面的假定。采用加強(qiáng)箍筋、錨固鋼筋和較高標(biāo)號的砼，就能加強(qiáng)截面的整體作用。鋼管砼在鋼管的彈塑性變形階段，有明顯的應(yīng)力調(diào)整現(xiàn)象。由于砼的收縮和徐變，復(fù)合鋼管砼截面的應(yīng)力重分布是非常明顯的。前期的施工加載在截面中有明顯的應(yīng)力疊加現(xiàn)象，后期加載和使用期間，就呈現(xiàn)出內(nèi)力疊加現(xiàn)象。應(yīng)力疊加是出現(xiàn)在彈性階段，施工加栽階段可以用應(yīng)力疊加作計算，便于配合測試和用應(yīng)力值來控制結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)。極限狀態(tài)法已考慮了材料

8、的塑性作用，故內(nèi)力疊加是出現(xiàn)在彈塑性階段，應(yīng)該采用極限狀態(tài)法作計算。所以，鋼骨砼就采用簡單內(nèi)力疊加法來計算，復(fù)合鋼管砼也可以采用簡單內(nèi)力疊加法來計算。工程中的結(jié)構(gòu)加固，達(dá)到使結(jié)構(gòu)內(nèi)力發(fā)生調(diào)整和加固的目的，即是內(nèi)力疊加原理的應(yīng)用。由塑性理論下限定理可知，對于滿足平衡條件的，由任意軸力分配所確定的各部分受彎承載力之和中，真實的極限承載力為最大值。根據(jù)這一理論，采用疊加方法計算的結(jié)果，總是偏于安全的。內(nèi)力調(diào)整的中間過程是復(fù)雜的，只要注意勁性骨架的強(qiáng)度和穩(wěn)定，能夠保證施工安全，可不考慮應(yīng)力調(diào)整的中間變化過程，只以最大的極限承載力作控制。內(nèi)力疊加理論的計算公式：鋼管砼短柱承載力No=AsFs +Acfs

9、t/rc+AcFc= Nst + Nsc+ Nnc基本形式：NNst + Nsc+ Nnc+ Nwc（鋼管、鋼管緊箍力、鋼管內(nèi)填砼、外包鋼筋砼） MMtc +Mwc （鋼管砼、鋼筋砼） 按加載受力情況分為：當(dāng)NNst為鋼管砼受拉時N= Nst 鋼管承受拉力 ，MMst鋼管砼承受彎矩； 當(dāng)NNst+ Nsc +Nnc為鋼管砼勁性骨架加載時 N= Nst+Nsc+Nnc ，MMst鋼管砼承受軸壓力和彎矩；當(dāng)NNst+ Nsc+Nnc +Nwc為復(fù)合鋼管砼加載時 N= Nst + Nsc+ Nnc+ Nwc ，MMtc+Mwc鋼管砼和外包鋼筋砼承受軸壓力和彎矩； 當(dāng)NNtc +Nwc，為復(fù)合鋼管砼加

10、載受拉時，MMwc時 N=Nst+Nwc鋼管和鋼筋承受拉力，M= Mwc鋼筋砼承受彎矩。 式中：N、M為計算的受壓軸力和彎矩設(shè)計值；Nst為鋼管部分的軸心受壓承栽力；Nnc為鋼管內(nèi)填充砼部分的受壓承載力；Nsc為鋼管內(nèi)填砼的緊箍力提高強(qiáng)度部分的軸心受壓承載力；Nst，Mst為鋼管砼(勁性骨架)部分的軸心受壓和受彎承載力；Nwc為外包鋼筋砼大、小偏心受壓界限破壞時的軸心受壓承載力；Mwc為鋼筋砼大、小偏心受壓界限破壞時的受彎承栽力；Nst為鋼管的軸心受拉承載力；Nwc為外包鋼筋砼的軸心受拉承載力。 6、內(nèi)力疊加的特點在以上計算中的參數(shù)，鋼管砼部分按鋼管砼的內(nèi)力疊加法計算，外包鋼筋砼部分按鋼筋砼的

11、規(guī)程計算。在計算外包鋼筋砼部分的承載力時，如果按內(nèi)園外方的截面來計算，是很麻煩的，可以偏安全的將內(nèi)園外方的截面簡化為箱形截面，按工字形截面計算，見圖（一）。公式的計算結(jié)果是安全的。實際在施工過程中，首先是充分發(fā)揮鋼管砼勁性骨架的作用，然后才是外包鋼筋砼發(fā)揮作用，并發(fā)生應(yīng)力調(diào)整。鋼管砼勁性骨架的截面較小，剛度較小，彎矩較小，要按鋼管砼長柱計算，以驗算骨架階段的安全。鋼管砼骨架的彈性模量較大，承載能力強(qiáng)，承受主要荷載，先要發(fā)生較大的初始變形，以后才是和外包鋼筋砼共同承力，能使二者的變形比較協(xié)調(diào)一致。為了發(fā)揮復(fù)合材料的優(yōu)點，鋼管砼與外包鋼筋砼的截面疊合比值不宜過小，一般應(yīng)大于0.30。將一期軸力單獨

12、施加到鋼管砼骨架上，剩余軸力由鋼筋砼來分擔(dān)，就降低了鋼筋砼部分的軸壓比。由鋼管砼承擔(dān)大部分軸力，可以提高鋼管砼骨架的軸壓比，充分發(fā)揮鋼管砼勁性骨架的作用，保證鋼管砼骨架產(chǎn)生較大的初始壓應(yīng)變。若鋼管砼未加初始壓應(yīng)變，而與外包鋼筋砼同時加載，將導(dǎo)致外包鋼筋砼先局部剝離破壞，也不符合鋼管砼作勁性骨架施工的實際受力情況。在壓彎構(gòu)件中，復(fù)合鋼管砼的應(yīng)力調(diào)整，是在外包鋼筋砼以后，截面剛度加大，外包鋼筋砼參加受力，鋼管砼軸力的增加會減小。鋼筋砼的軸力和彎矩達(dá)到最大以后，軸力會開始減小，鋼管砼的軸力會增大。外包鋼筋砼的收縮和徐變，是卸載的原因和應(yīng)力調(diào)整的條件，也是不同材料相互之間的互補(bǔ)性和軸向力的轉(zhuǎn)移傳遞,

13、見圖（二）。當(dāng)外包鋼筋砼發(fā)揮作用時，鋼管砼的軸力增加將變得緩慢，最終才達(dá)到最大，故鋼管砼的承載力應(yīng)當(dāng)留有安全余地。為了配合鋼管砼和外包鋼筋砼的應(yīng)力調(diào)整變化，外包鋼筋砼施工的時間，應(yīng)按施工方便和加載程序要求而定。內(nèi)力調(diào)整是應(yīng)力的變化過程，是普遍存在的現(xiàn)象，是內(nèi)力疊加公式建立的基礎(chǔ)。由于鋼管砼的初始壓應(yīng)變較大，在壓彎狀態(tài)中軸力重分配的幅度會更大一些。所以，復(fù)合鋼管砼是有一定規(guī)則的，既要充分發(fā)揮勁性骨架的作用，又應(yīng)保留較大的安全余地，以保證施工安全。7、算例：（1）鋼管砼骨架：見圖（三）。 按鋼管砼短柱強(qiáng)度計算新探方法計算。16Mn 鋼管550 x10 鋼管內(nèi)半徑rc=265mm 鋼管壁厚t=10m

14、m 鋼管面積As=169.6cm鋼管設(shè)計強(qiáng)度fs=315mpaC50砼Ac=2206.2cm砼設(shè)計強(qiáng)度fc=23.5mpa軸向壓力N1=28994KN彎距M1=870KN.m 偏心距eO=0.03m 鋼管砼短柱承載力：No=AsFs+AcFc+Acfst/rc=(169.6x315+2206.2x23.5+2206.2x315x10/265)x10 =13149KN 計算長度LO=0.5L=0.5X400=200cm LO /D=200/55=2.463 4 縱向彎曲系數(shù)l=1偏心距系數(shù)eO/r =30/265=0.113 = N1=28994KN.M加載軸壓比N1/ Ntc =28994/3

15、2623=0.89(2)外包鋼筋混凝土：見圖（四）。按公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計規(guī)范（JTJ 02385）計算。軸向力N2 =11259KN 彎距M2=920 KN.m 級鋼筋 C50 鋼筋強(qiáng)度Rg=Rg=340mpa 砼強(qiáng)度Ra=28.5mpa 2214 Ag=Ag=33.9cm偏心距eO=920/11259=8cm e=54cm e=38cm RabX(e-h+X/2)+Ra(bj-b)hj (e-ho+hj=gAge+RgAgeg=600(0.9 ho/x-1) 28.5x220X(8-96+X/2)+28.5x(220-55)x22.5x(8-96+22.5/2)=600 x(0

16、.9x96/X-1)X33.9x54+340X33.9X38X0.028X2201.6X-30271=0X=52.7cmg=600 x(0.9x96/552.7-1)=383mpa 取g=340mpaNwc=(rb/rc)RabX+Ra(bj-b)hj+(rb/rs)(RgAg-gAg)=(0.95/1.25)x28.5x55x52.7+28.5x(220-55)x22.5x10+(0.95/1.25)x(340 x33.9- 340 x33.9)x10=13832 KN N1 =11259KN Mwc=(rb/rc)RabX(hO-X/2)+Ra(bj-b)hj(ho-hj/2)+(rb/r

17、s)(RgAg(ho-ag)=(0.95/1.25)x28.5x55x52.7x(96-52.7/2)+28.5x(220-55)x22.5x(96-22.5/2)x10+(0.95/1.25)x(340 x33.9x(96-4)x10=11581 KN.m M2 =920KN.(3)內(nèi)力疊加法：=N1+N2=28994+11259=40253KNNtc +Nwc=32623+13832=46455KN M=M1+M2=870+920=1790KN.mMwc= 11581 KN.m本算例為較強(qiáng)的勁性鋼管砼骨架，計算鋼筋砼時配筋較弱，鋼筋砼的強(qiáng)度將先達(dá)到最大，因為鋼管砼骨架的承載力還留有安全余地

18、，即加強(qiáng)主要材料的原則。如果是較弱勁性鋼管砼骨架，鋼管砼骨架的承載力將達(dá)到最大，而鋼筋砼應(yīng)該加強(qiáng)配筋，使鋼筋砼中留有較大的安全余地，這也是加強(qiáng)主要材料的原則。所以，這是強(qiáng)、弱勁性鋼管砼骨架在復(fù)合鋼管砼計算中的區(qū)別和特點，本文也解決了弱勁性鋼管砼骨架在復(fù)合鋼管砼中計算的方法問題。因此，勿論骨架的強(qiáng)、弱都是可以算的，其原則是弱的材料度將達(dá)到最大，而強(qiáng)的材料強(qiáng)度中須留有足夠的安全余地，才能保證復(fù)合鋼管砼結(jié)構(gòu)的安全。8、結(jié)論（1）復(fù)合鋼管砼也同鋼骨砼的原理相類似，由于鋼管緊箍力的作用，比鋼骨砼的工作效率更高，承載能力更大。（2）復(fù)合鋼管砼截面的強(qiáng)度計算方法，可采用簡單疊加法原理作內(nèi)力疊加計算，鋼管砼也是用內(nèi)力疊加法計算，復(fù)合外包的鋼筋砼采用鋼筋砼方法計算，鋼管、鋼筋、內(nèi)填和外包砼材料取各自特定的強(qiáng)度和安全系數(shù)，采用鋼管砼和鋼筋砼的兩種計算內(nèi)力進(jìn)行疊加，方法簡單，物理概念簡明直觀。（3）復(fù)合鋼管砼適合用于桿件結(jié)構(gòu)，也適合用于桁架結(jié)構(gòu)，采用勁性鋼管砼骨架實現(xiàn)了鋼筋砼和預(yù)