復合鋼管砼計算方法與應用

1、Evaluation Warning: The document was created with Spire.Doc for .NET.復合鋼管砼計算方法在橋梁中的應用伍尚干 陳春林 伍佳玉 吳清明 1、前言我國鋼管砼砼的研究究和應用用都已取取得了很很大的成成果，鋼鋼管和砼砼的相互互組合應應用，可可以克服服砼的脆脆性和鋼鋼管的穩(wěn)穩(wěn)定問題題，能夠夠充分發(fā)發(fā)揮兩種種材料特特點，園園形鋼管管的緊箍箍力還能能提高砼砼的承載載力，是是一種很很合理的的材料使使用方法法。鋼管管砼在施施工過程程中，能能起到骨骨架、配配筋和模模板的作作用，使使結構逐逐漸加強強和形成成，解決決了大跨跨徑拱橋橋的施工工困難，使使

2、拱橋施施工變得得簡便安安全，所所以在拱拱橋中獲獲得較快快的發(fā)展展。但是是鋼管砼砼的應用用也不夠夠完善，計計算中還還存在一一些問題題，在使使用中最最突出的的是鋼管管的銹蝕蝕，防護護很麻煩煩，大直直徑鋼管管的用鋼鋼量偏大大，加工工費較高高，桁架架結點的的焊接處處理困難難，造價價偏高，影影響了鋼鋼管砼的的競爭與與發(fā)展。2、復合鋼鋼管砼復合的定義義是指兩兩種或多多種材料料，按一一定的規(guī)規(guī)則組合合成整體體。采用用型鋼作作勁性骨骨架，然然后外包包鋼筋砼砼，稱作作鋼骨砼砼。采用用鋼管砼砼作勁性性骨架，然然后外包包鋼筋砼砼，同理理可稱作作鋼管砼砼骨架砼砼，將鋼鋼筋砼與與鋼管砼砼的結合合稱作復復合(即即組合或或

3、結合)鋼管砼砼，名稱稱簡明直直觀。這這里所指指的復合合鋼管砼砼，是指指主要以以鋼管砼砼骨架受受壓為主主，承載載力佔550%70%左右的的強勁性性骨架，即即所謂的的剛性骨骨架。它它能充分分發(fā)揮鋼鋼管砼的的優(yōu)點，克克服了它它存在的的缺點。外外包的鋼鋼筋砼加加大了截截面剛度度，按構構造和內內力需要要配筋，起起到參與與受力和和防護的的雙重作作用。使使鋼管的的加工方方便，聯(lián)聯(lián)結的加加勁處理理靈活方方便，再再立模板板澆筑外外包砼也也簡便，只只相當于于加固和和裝修工工程。現在鋼管砼砼拱橋的的銹蝕防防護，多多以油漆漆為主，也也有噴鋅鋅、鋁和高分分子涂料料的。前前者能保保持35年時時間，因因受陽光光照曬的的影響

4、，褪褪色很快快，影響響美觀。后后者能用用25年年時間，其其價格很很高。仍仍是砼的的耐久性性好, 施工工靈活方方便，造造價較合合理。外外包的鋼鋼筋砼對對鋼管砼砼勁性骨骨架可起起到一定定的隔熱熱作用，鋼鋼比相同同條件的的砼溫度度要高115CC以上，使使勁性骨骨架受溫溫度的影影響減弱弱，對勁勁性骨架架的工作作有利。鋼鋼管砼拱拱橋受強強度和穩(wěn)穩(wěn)定的需需要，多多采用大大直徑的的鋼管，用用鋼量偏偏大，造造價也高高。國內內第一座座鋼管砼砼拱橋四川旺旺蒼大橋橋，采用用就地加加工和焊焊接制造造，是較較經濟合合理的。故故采用較較小管徑徑的復合合鋼管砼砼，可簡簡化加工工方法，再再外包鋼鋼筋砼形形成所需需的截面面，按

5、受受力和構構造需要要配筋，使使結點處處理方便便，用鋼鋼量較合合理，是是鋼管砼砼的合理理應用形形式。現現在鋼管管砼僅用用在單一一的拱橋橋中，采采用復合合鋼管砼砼材料，可可以在橋橋梁上得得到廣泛泛的應用用。3、復合鋼鋼管砼的的發(fā)展復合鋼管砼砼的結構構形式，工工程中已已有應用用先例，拱拱橋中有有用鋼管管砼作骨骨架的鋼鋼筋混凝凝土箱形形拱，鋼鋼管砼骨骨架起了了重要的的作用。但但是，因因為鋼管管砼骨架架還比較較弱，它它的截面面積與砼砼截面積積相比較較小，在在截面的的強度計計算中，未未考慮鋼鋼管緊箍箍力所起起的承載載力作用用，只按按鋼筋混混凝土截截面作簡簡化計算算。另外外一個原原因是未未搞清楚楚鋼管砼砼在

6、鋼筋筋混凝土土截面中中的作用用機理，還還未建立立起計算算的方法法，不便便于計算算。簡化化計算并并非不可可，但是是探究清清楚鋼管管砼在鋼鋼筋混凝凝土截面面中的作作用，也也是完全全需要的的。鋼管管砼骨架架弱時剛剛度較小小，施工工加載的的過程也也不夠安安全。而而強的勁勁性骨架架剛度較較大，施施工安全全性好，充充分發(fā)揮揮鋼管砼砼的主要要承力作作用，這這就是復復合鋼管管砼所要要提倡的的。對于于復合鋼鋼管砼的的截面，不不計鋼管管砼的特特殊作用用，顯然然是不合合理的，這這是復合合鋼管砼砼需要解解決的問問題。實實際上鋼鋼管砼與與鋼筋砼砼結合的的復合鋼鋼管砼，在在橋梁和和建筑中中有成功功的應用用，與加加固工程程

7、所用的的原理基基本相同同，效果果良好。4、復合原原理 復合鋼管砼砼與鋼骨骨砼有相相似的原原理，鋼鋼管的緊緊箍力比比鋼骨砼砼的型鋼鋼更優(yōu)越越，它實實質上是是一種特特殊形式式的鋼骨骨砼。鋼鋼管作為為骨架使使用，它它的特殊殊截面形形式，對對管內砼砼的環(huán)向向緊箍力力作用，能能發(fā)揮材材料的塑塑性性能能，提高高鋼管砼砼的承載載能力。鋼鋼骨砼的的特性已已有成熟熟的研究究，其規(guī)規(guī)律可供供復合鋼鋼管砼借借鑒。筆筆者在“鋼管砼砼短柱強強度計算算新探”一文中中，已將將鋼管砼砼的承載載力，按按材料強強度實現現了分離離計算，將將其應用用在復合合鋼管砼砼中，也也能實現現復合鋼鋼管砼的的鋼管、內內填砼、徑徑向荷載載、外包包

8、鋼筋砼砼的分離離計算，實實現鋼管管砼和鋼鋼筋砼組組合材料料的內力力疊加計計算。設設計假定定：鋼管與外外包砼之之間結合合良好，外外包砼不不能剝離離，形成成整體截截面，兩兩者能夠夠協(xié)同工工作。受拉和受受壓鋼筋筋、鋼管管采用理理想彈塑塑性的平平面應力力應變關關系。鋼管內填填砼飽滿滿。受拉區(qū)的的砼不參參加工作作。鋼管砼受受彎矩作作用時，對對應縱向向應變?yōu)闉殇摴芗凹绊诺氖苁芰顟B(tài)態(tài)與鋼管管砼的軸軸心受力力時相同同，縱向向應變的的鋼管及及砼的受受力狀態(tài)態(tài)相同。鋼管砼作作為勁性性骨架，應應能承受受主要的的施工荷荷載，先先發(fā)生較較大的初初始壓縮縮變形。 為了保證截截面的整整體性，外外包砼的的標號應應用得較較高

9、，以以便具有有較強的的粘結力力。除受受力鋼筋筋以外，要要加強箍箍筋和在在鋼管上上焊接錨錨固鋼筋筋，避免免發(fā)生剝剝離破壞壞。外包包砼的厚厚度不能能太薄，砼砼太薄會會影響粘粘結力的的發(fā)揮，也也要影響響砼的澆澆筑操作作。5、內力疊疊加法 實實踐證明明鋼骨和和鋼管砼砼的外包包砼能夠夠結合為為整體，構構件截面面的應變變復合平平面的假假定。采采用加強強箍筋、錨錨固鋼筋筋和較高高標號的的砼，就就能加強強截面的的整體作作用。鋼鋼管砼在在鋼管的的彈塑性性變形階階段，有有明顯的的應力調調整現象象。由于于砼的收收縮和徐徐變，復復合鋼管管砼截面面的應力力重分布布是非常常明顯的的。前期期的施工工加載在在截面中中有明顯顯

10、的應力力疊加現現象，后后期加載載和使用用期間，就就呈現出出內力疊疊加現象象。應力力疊加是是出現在在彈性階階段，施施工加栽栽階段可可以用應應力疊加加作計算算，便于于配合測測試和用用應力值值來控制制結構的的安全狀狀態(tài)。極極限狀態(tài)態(tài)法已考考慮了材材料的塑塑性作用用，故內內力疊加加是出現現在彈塑塑性階段段，應該該采用極極限狀態(tài)態(tài)法作計計算。所所以，鋼鋼骨砼就就采用簡簡單內力力疊加法法來計算算，復合合鋼管砼砼也可以以采用簡簡單內力力疊加法法來計算算。工程程中的結結構加固固，達到到使結構構內力發(fā)發(fā)生調整整和加固固的目的的，即是是內力疊疊加原理理的應用用。由塑塑性理論論下限定定理可知知，對于于滿足平平衡條件

11、件的，由由任意軸軸力分配配所確定定的各部部分受彎彎承載力力之和中中，真實實的極限限承載力力為最大大值。根根據這一一理論，采采用疊加加方法計計算的結結果，總總是偏于于安全的的。內力力調整的的中間過過程是復復雜的，只只要注意意勁性骨骨架的強強度和穩(wěn)穩(wěn)定，能能夠保證證施工安安全，可可不考慮慮應力調調整的中中間變化化過程，只只以最大大的極限限承載力力作控制制。內力疊加理理論的計計算公式式：鋼管管砼短柱柱承載力力No=AsFFs +Acffst/rc+AcFFc= Nstt + Nscc+ NNnc 基本形式：NNst + NNsc+ Nncc+ NNwc（鋼鋼管、鋼鋼管緊箍箍力、鋼鋼管內填填砼、外外包

12、鋼筋筋砼） MMMtcc +MMwc （鋼管管砼、鋼鋼筋砼） 按加載受力力情況分分為：當NNsst為鋼管砼砼受拉時時 N= NNst 鋼管承承受拉力力 ，MMMst鋼管管砼承受受彎矩； 當NNsst+ Nscc +NNnc為鋼管砼砼勁性骨骨架加載載時 N= Nstt+Nscc+Nncc ， MMstt鋼管砼砼承受軸軸壓力和和彎矩；當NNsst + Nscc+Nncc +NNwc為復合鋼鋼管砼加加載時 N= Nsst + Nscc + Nncc+ NNwc ，MMMtcc+Mwcc鋼管砼砼和外包包鋼筋砼砼承受軸軸壓力和和彎矩； 當NNtc +Nwc，為為復合鋼鋼管砼加加載受拉拉時，MMMwc時

13、N=Nst+NNwc鋼管管和鋼筋筋承受拉拉力，MM= MMwc鋼筋筋砼承受受彎矩。 式中：N、M為計算算的受壓壓軸力和和彎矩設設計值；Nstt為鋼管管部分的的軸心受受壓承栽栽力； Nnc為鋼管管內填充充砼部分分的受壓壓承載力力；Nssc為鋼管管內填砼砼的緊箍箍力提高高強度部部分的軸軸心受壓壓承載力力；Nsst，MMst為鋼管管砼(勁性骨骨架)部分的的軸心受受壓和受受彎承載載力；NNwc為外包包鋼筋砼砼大、小小偏心受受壓界限限破壞時時的軸心心受壓承承載力；Mwcc為鋼筋筋砼大、小小偏心受受壓界限限破壞時時的受彎彎承栽力力；Nsst為鋼管管的軸心心受拉承承載力；Nwcc為外包包鋼筋砼砼的軸心心受拉

14、承承載力。 6、內力疊疊加的特特點在以上計算算中的參參數，鋼鋼管砼部部分按鋼鋼管砼的的內力疊疊加法計計算，外外包鋼筋筋砼部分分按鋼筋筋砼的規(guī)規(guī)程計算算。在計計算外包包鋼筋砼砼部分的的承載力力時，如如果按內內園外方方的截面面來計算算，是很很麻煩的的，可以以偏安全全的將內內園外方方的截面面簡化為為箱形截截面，按按工字形形截面計計算，見見圖（一一）。公式的計算算結果是是安全的的。實際際在施工工過程中中，首先先是充分分發(fā)揮鋼鋼管砼勁勁性骨架架的作用用，然后后才是外外包鋼筋筋砼發(fā)揮揮作用，并并發(fā)生應應力調整整。鋼管管砼勁性性骨架的的截面較較小，剛剛度較小小，彎矩矩較小，要要按鋼管管砼長柱柱計算，以以驗算

15、骨骨架階段段的安全全。鋼管管砼骨架架的彈性性模量較較大，承承載能力力強，承承受主要要荷載，先先要發(fā)生生較大的的初始變變形，以以后才是是和外包包鋼筋砼砼共同承承力，能能使二者者的變形形比較協(xié)協(xié)調一致致。為了了發(fā)揮復復合材料料的優(yōu)點點，鋼管管砼與外外包鋼筋筋砼的截截面疊合合比值不不宜過小小，一般般應大于于0.300。將一一期軸力力單獨施施加到鋼鋼管砼骨骨架上，剩剩余軸力力由鋼筋筋砼來分分擔，就就降低了了鋼筋砼砼部分的的軸壓比比。由鋼鋼管砼承承擔大部部分軸力力，可以以提高鋼鋼管砼骨骨架的軸軸壓比，充充分發(fā)揮揮鋼管砼砼勁性骨骨架的作作用，保保證鋼管管砼骨架架產生較較大的初初始壓應應變。若若鋼管砼砼未加

16、初初始壓應應變，而而與外包包鋼筋砼砼同時加加載，將將導致外外包鋼筋筋砼先局局部剝離離破壞，也也不符合合鋼管砼砼作勁性性骨架施施工的實實際受力力情況。在在壓彎構構件中，復復合鋼管管砼的應應力調整整，是在在外包鋼鋼筋砼以以后，截截面剛度度加大，外外包鋼筋筋砼參加加受力，鋼鋼管砼軸軸力的增增加會減減小。鋼鋼筋砼的的軸力和和彎矩達達到最大大以后，軸軸力會開開始減小小，鋼管管砼的軸軸力會增增大。外外包鋼筋筋砼的收收縮和徐徐變，是是卸載的的原因和和應力調調整的條條件，也也是不同同材料相相互之間間的互補補性和軸軸向力的的轉移傳傳遞, 見圖（二二）。當外包鋼筋筋砼發(fā)揮揮作用時時，鋼管管砼的軸軸力增加加將變得得

17、緩慢，最最終才達達到最大大，故鋼鋼管砼的的承載力力應當留留有安全全余地。為為了配合合鋼管砼砼和外包包鋼筋砼砼的應力力調整變變化，外外包鋼筋筋砼施工工的時間間，應按按施工方方便和加加載程序序要求而而定。內內力調整整是應力力的變化化過程，是是普遍存存在的現現象，是是內力疊疊加公式式建立的的基礎。由由于鋼管管砼的初初始壓應應變較大大，在壓壓彎狀態(tài)態(tài)中軸力力重分配配的幅度度會更大大一些。所所以，復復合鋼管管砼是有有一定規(guī)規(guī)則的，既既要充分分發(fā)揮勁勁性骨架架的作用用，又應應保留較較大的安安全余地地，以保保證施工工安全。7、算例：（1）鋼管管砼骨架架：見圖圖（三）。 按鋼鋼管砼短短柱強度度計算新新探方方法

18、計算算。 16Mn 鋼管5500 x100 鋼管管內半徑徑rc=2655mm 鋼管管壁厚tt=100mm 鋼管面積AAs=1169.6cm 鋼鋼管設計計強度ffs=3315mmpaC50 砼Ac=22006.22cm 砼設計計強度ffc=223.55mpaa 軸向壓力NN1=2889944KN 彎距距M1=8770KNN.m 偏偏心距eeO=00.033m 鋼管砼砼短柱承承載力：No=AssFs+AcFFc+AAcfsst/rrc=(1699.6xx3155+22206.2x223.55+22206.2x3315xx10/2655)x110 =1131449KNN 計算長度度LO=0.55L=

19、00.5XX4000=2000cmm LLO /D=2200/55=2.4463 4 縱向彎曲曲系數l=11 偏心距系系數eOO/r =300/2665=00.1113 = N1=2889944KN.M 加載軸軸壓比NN1/ Ntcc =2289994/3326223=00.899 (2)外外包鋼筋筋混凝土土：見圖圖（四）。 按按公路路鋼筋混混凝土及及預應力力混凝土土設計規(guī)規(guī)范（JTJ 02385）計算。軸向力N22 =1112559KNN 彎距MM2=9220 KKN.mm 級鋼筋筋 C500 鋼筋強強度Rgg= Rg=3440mppa 砼強度度Ra=28.5mppa 22214 Ag=Ag

20、=333.9ccm偏心距eOO=9220/1112559=88cm ee=544cm e=38cm RabX(e-hh+X/2)+Ra(bj-b)hhj (ee-hoo+hjj=ggAgee+RggAgeg=6000(00.9 ho/x-11) 28.5xx2200X(88-966+X/2)+28.5x(2200-555)x222.55x(88-966+222.5/2)=6000 x(00.9xx96/X-1)XX33.9x554+3440X333.99X388 X0.0288X22001.66X-3302771=00X=52.7cmmg=6000 x(00.9xx96/5522.77-1)=

21、3883mppa 取g=3340mppaNwc=(rb/rc)RaabX+Ra(bj-b)hj+(rb/rs)(RgAg-gAAg)=(0.95/1.225)xx288.5xx55xx52.7+228.55x (2200-555)x222.55x110+(00.955/1.25)x(3340 xx33.9- 3400 x333.9)x100=138832 KN N1 =1112559KNN Mwc=(rb/rc)RabbX(hO-X/2)+Ra(bjj-b)hj(ho-hjj/2)+(rbb/rss)(RRgAg(ho-ag) =(0.95/1.225)xx288.5xx55xx52.7x(9

22、6-52.7/22)+228.55x(2220-55)x222.5xx(966-222.5/2)x100+(0.95/1.225)xx(3440 x333.99x(996-44)x110=1115811 KNN.m M22 =9920KKN.(3)內力力疊加法法： =N11+N22=2889944+1112599=4002533KNNtcc +NNwc=326223+1138332=4464555KNN M=MM1+MM2=8870+9200=17790KKN.mm Mwcc= 1115881 KKN.mm本算例為較較強的勁勁性鋼管管砼骨架架，計算算鋼筋砼砼時配筋筋較弱，鋼鋼筋砼的的強度將將先達到到最大，因因為鋼管管砼骨架架的承載載力還留留有安全全余地，即即加強主主要材料料的原則則。如果果是較弱弱勁性鋼鋼管砼骨骨架，鋼鋼管砼骨骨架的承承載力將將達到最最大，而而鋼筋砼砼應該加加強配筋筋，使鋼鋼筋砼中中留有較較大的安安全余地地，這也也是加強強主要材材料的原原則。所所以，這這是強、弱弱勁性鋼鋼管砼骨骨架在復復合鋼管管砼計算算中的區(qū)區(qū)別和特特點，本本文也解解決了弱弱勁性鋼鋼管砼骨骨架在復復合鋼管管砼中計計算的方方法問題題。因此此，勿論論骨架的的強、弱弱都是可可以算