钢管混凝土叠合柱式桥墩受力性能分析.pdf
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1、钢 管 混 凝 土 叠 合 柱 式 桥 墩 受 力 性 能 分 析 曾彦 1, 曾 勇 2, 赵顺波1 (1. 华北水利水电学院土木与交通学院, 河南 郑州 450011; 2. 河南世纪博通工程咨询有限公司, 河南 郑州 450008) 摘要: 为减小桥墩阻水面积, 跨南水北调中线工程主干渠的大油村北桥 2 号墩墩身采用圆形钢管混凝土叠 合柱。采用有限元法进行计算分析, 研究叠合柱钢管壁厚与轴向应力比率、 弯曲应力比率、 抗剪应力比率和组合应 力比率、 荷载下位移及自振周期等因素的影响规律。结果表明, 叠合柱能以较小的直径满足既定承载能力的要求, 比普通混凝土桩柱式结构具有更好的经济性和抗震
2、性能。 关键词: 桥墩;钢管混凝土结构; 叠合柱;承载力; 抗震;有限元法 中图分类号: U443. 22文献标志码: A文章编号:1671- 7767(2010) 02- 0052- 03 收稿日期5 作者简介 曾彦(), 女, 讲师,年毕业于武汉理工大学公路与城市道路专业, 工学学士,5 年毕业于武汉理工大学道路与铁道 工程专业, 工学硕士(zy6)。 1引言 钢管混凝土叠合柱是由中部钢管混凝土和钢管 外钢筋混凝土叠合而成的组合截面构件。在钢管内 灌注微膨胀混凝土, 以其自身膨胀抵消混凝土的收 缩, 且由于钢管的约束还能产生一定的压应力, 使内 填混凝土处于三向受压状态, 从而改善混凝土的
3、强 度性能, 使钢管混凝土叠合柱具有承载力高、 塑性和 抗震性能好的优点。 将钢管混凝土叠合柱应用于桥梁下部结构中, 与常用的桩柱式结构比较, 具有如下特点: (1) 与相同断面、 荷载的钢筋混凝土柱比较, 用 钢量要少; 钢管混凝土提高了构件的抗剪能力, 容易 实现强剪弱弯。 (2) 具有良好的延性性能, 在动荷载尤其是地 震荷载作用下能通过自身变形耗散能量, 阻滞或延 缓桥梁结构的破坏。 (3) 整体施工进度较快, 柱内钢筋绑扎和定位 精度高。 (4) 可以明显地减小柱断面面积, 混凝土用量 则随之减少, 结构自重减轻, 建设能耗降低。 以跨越河北省永年县段内南水北调中线工程主 干渠的大油
4、村北桥为例, 分析钢管混凝土叠合柱式 桥墩的受力性能。 2工程概况 大油村北桥位于南水北调中线工程主干渠河北 省永年县段内, 连接S211 省道。跨越主干渠的大油 村北桥上部结构选用(35+ 240+ 35) m 变截面预 应力混凝土连续箱梁, 标准桥面宽 13 m。箱梁跨中 梁高 1. 50 m、 支墩处梁高 2. 50 m。下部结构中 0 号、 4 号桥台采用肋板式结构, 1 号、 3 号墩采用桩接 承台双柱式桥墩, 柱高 5 m, 2 号墩采用桩接承台独 柱式桥墩, 柱高 8. 5 m。 该桥荷载等级为公路-级, 桥梁纵断面位于 R= 8 000 m、 T= 240 m、 E= 3. 6
5、 m 凸形竖曲线, 变 坡点设于桥梁中点桩号处。为与原有道路顺畅连 接, 桥梁中心线与渠道水流方向夹角为 26!。桥梁 立面布置示意见图 1。 图 1大油村北桥立面布置示意 为满足水利部门严格要求的桥梁墩柱阻水面积 不超过过水断面面积 5% 的规定, 渠底 2 号墩避开 桥梁常规设计中多用的钢筋混凝土柱, 而考虑采用 相同承载力要求下可明显减小柱断面面积的钢管混 凝土叠合柱, 其构造示意见图 2。 3桥墩截面承载力计算 采用大型通用有限元计算软件 MIDAS/ Civil 2006 建立全桥模型, 见图 3。桥梁上部结构采用空 间梁单元模拟, 共划分为 152 个单元, 1 号、 3 号墩均
6、52世界桥梁 2010 年第 2 期 : 2009- 01- 1 :1978-2002200 E mail:80042sina. com 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图 2钢管混凝土叠合柱截面 采用梁单元, 为便于比较普通钢筋混凝土桥墩( 设计 直径采用 1. 8 m)与钢管混凝土叠合柱桥墩( 设计直 径采用 1. 6 m)的承载性能, 分别建立 2 号墩 2 种不 同形式的计算模型, 钢筋混凝土桥墩采用梁单元模 拟, 叠合柱截面采用组合截面模拟。上部结构桥面 系的刚度(竖向、 横向挠曲刚度和扭转刚度)和质量 (平动质量和转动惯量) 都集中在中间节点上, 节
7、点 和桥墩之间处理为主从关系; 2 号墩支座和主梁在 顺桥向、 横桥向、 竖向采用主从约束, 其余各支座按 实际抗压与抗弯刚度, 采用理想弹塑性连接单元模 拟, 承台底采用固结形式。 图 3全桥结构模型 3. 1普通钢筋混凝土桥墩承载力 计算采用的普通钢筋混凝土柱混凝土强度等级 为 C30, 轴压比按 0. 8 控制, 选取直径为 1. 8 m 的单 柱, 经计算需配 36B28 钢筋, 箍筋采用 A10, 箍筋间 距取 0. 2 m。当配有箍筋时, 钢筋混凝土轴心受压 构件正截面抗压承载力计算 1 采用下式: 0Nd0. 90 (fcdA+ f#sdA#s)(1) 式中, 0为重要性系数,
8、根据规范要求0= 1. 0; Nd 为轴向力组合设计值;为轴压构件稳定系数, 取 = 1. 0; A 为构件毛截面面积; A#s为全部纵向钢筋的 截面面积; fcd和 f#sd分别为混凝土轴心抗压强度设 计值和钢筋抗压强度设计值。 根据式( 1)计算得到钢筋混凝土柱轴向力组合 设计值, 即正截面承载力为 37 502. 2 kN。 3. 2钢管混凝土叠合柱桥墩承载力 计算采用的钢管混凝土叠合柱桥墩叠合柱外径 为 1. 60 m, 钢管外径为 1. 0 m, 钢管壁厚为 16 mm, 材质为 Q235钢, 管内灌注 C30 微膨胀混凝土, 其轴 心受压承载力可由下式计算 2 : N=f(+)(
9、) 式中, N为钢管混凝土叠合柱轴心受压承载力; 为考虑长细比影响后, 钢管混凝土柱轴心受压承载 力的折减系数, 取1= 1. 0;为钢管混凝土的套箍 指标, = fsAs/ fccAcc, fs为钢管钢材抗压、 抗拉和 抗弯强度设计值; As为钢管的截面面积; Acc为核心 混凝土毛截面面积; fcc为核心混凝土轴心抗压强度 设计值。 通过计算, 钢管混凝土叠合柱轴心受压承载力 (Nu)为 29 280. 94 kN, 约束增强系数为 1. 41, 即核 心钢管混凝土轴压承载力是钢管和混凝土承载力单 独相加之和的 1. 41 倍。外围普通混凝土的正截面 承载力 1 Nco为18 933. 8
10、9 kN, 则整个截面的轴压承 载力为 48 214. 83 kN。 3. 3承载力对比 钢管混凝土由于钢管对内填微膨胀混凝土的套 箍作用, 使混凝土在有侧限条件下受压。由上述计 算的直径 1. 8 m 普通钢筋混凝土柱与直径 1. 6 m 的叠合柱承载力数值可知, 采用叠合柱时承载力明 显提高。同时, 对直径为 1. 6 m 的钢筋混凝土柱与 上述直径为 1. 6 m 的钢管混凝土叠合柱进行比较, 可知在采用相同直径钢管混凝土叠合柱, 且配有相 同的普通钢筋时, 其轴压承载力是普通钢筋混凝土 柱的 1. 92 倍。 4桥梁结构抗震计算 对该桥梁结构模型进行抗震分析, 取地震动峰 值加速度为
11、0. 10g, 相应地震基本烈度为 7 度, 按 8 度设防, 按参考文献 3 进行反应谱分析。由于桥 墩为桩接承台形式, 所以对各桥墩柱底采用固结处 理, 刚度偏大, 在动荷载作用下结构验算是偏于安 全的。 4. 1钢管壁厚对容许应力的影响 首先采用容许应力设计 4 对 2号墩钢管混凝土 叠合柱进行抗震分析。2 号墩柱采用相同外径(1. 6 m)、 钢管直径( 1. 0 m), 不同钢管壁厚的情况下, 根 据参考文献 5 进行荷载工况组合, 在最不利组合 (1. 2 恒载+ 1. 3 顺桥向水平地震力)作用下, 桥墩根 部(最不利位置)钢管壁厚与容许应力比率的关系见 图 4。 由图 4 可知
12、, 当桥墩为钢筋混凝土柱时( 当钢管 壁厚为 0 时, 此时即为钢筋混凝土柱), 其轴向应力 比率为 0. 833小于 1. 0, 能满足承载能力要求, 但其 弯曲应力比率与抗剪应力比率却远大于 1. 0, 不能 满足桥梁结构抗震设计要求。采用钢管混凝土叠合 柱, 且管壁厚为 5时, 其抗剪应力比率明显减 小, 其弯曲应力比率减小也非常显著; 随钢管壁厚的 53 钢管混凝土叠合柱式桥墩受力性能分析曾彦, 曾勇, 赵顺波 u1ccAcc11. 82 u1mm 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图 4容许应力比率与叠合柱钢管壁厚关系 增加, 弯曲应力对组合应力比率的影
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