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脱空对钢管混凝土拱桥受力性能影响研究

涂光亚  
【摘要】: 钢管混凝土拱桥的脱空问题是常见而复杂的工程实际问题。本文针对脱空对钢管混凝土拱桥受力性能的影响问题进行了一系列的理论与实例分析。建立了钢管混凝土拱桥拱肋钢管与混凝土之间完全脱粘的计算模型;研究了脱空产生的原因;脱空对受力性能的影响程度;并在此基础上提出了经济有效的脱空治理措施。主要研究成果如下: (1)基于平面应变理论,推导了钢管混凝土构件在轴向压力、温度荷载和核心混凝土收缩作用下界面拉应力和剪应力的计算公式,以常用材料和截面尺寸的钢管混凝土构件为例进行了界面应力和脱空高度的计算。计算结果表明:对钢管混凝土拱桥而言,脱空主要是由于温度荷载和核心混凝土收缩引起的界面拉应力超过界面粘结强度而引起的,如果不采取任何措施,钢管混凝土拱桥钢管与核心混凝土界面出现部分脱空是必然的。 (2)提出了钢管混凝土拱桥完全脱粘的计算模型,钢管混凝土拱桥实际的受力性能应该介于完全脱粘与完全粘结之间。基于完全脱粘假设,提出了采用有限元方法计算钢管与核心混凝土之间径向分布荷载的思路和计算公式,并给出了计算实例。 (3)基于钢管与核心混凝土界面完全脱粘计算模型,采用结构力学方法推导了钢管与核心混凝土的内力分布和内力分配的计算公式。对于等截面单圆管拱肋完全脱粘后钢管与核心混凝土任一截面的总内力与完全粘结时相等;钢管与核心混凝土弯矩之比等于其抗弯刚度之比;钢管与核心混凝土轴力之比不一定等于其拉压刚度之比。对于桁式钢管混凝土拱桥完全脱粘后钢管与核心混凝土任一截面的总内力与完全粘结时不相等,弯矩与轴力之比均不等于其抗弯刚度与拉压刚度之比。 (4)基于钢管与核心混凝土界面完全脱粘计算模型,采用虚功原理对钢管混凝土拱肋的刚度变化进行了理论分析。对于等截面单圆管拱肋钢管与核心混凝土界面完全脱粘基本上不会引起结构刚度降低;对于桁式拱肋钢管与核心混凝土界面完全脱粘会引起结构刚度降低,降低的程度跟矢跨比、桁高、钢管截面以及荷载作用方式等因素有关。 (5)基于钢管与核心混凝土界面完全脱粘计算模型,推导了钢管与核心混凝土徐变自应力的计算公式,提出了采用有限元方法计算钢管与核心混凝土的徐变次内力和次应力,并进行了实例分析。分析结果表明:对于等截面单圆管钢管混凝土拱肋和桁架式拱肋,收缩徐变完成后完全脱粘与完全粘结两种情况下钢管与核心混凝土的内力差别比成桥时更小;完全脱粘和完全粘结两种情况温度荷载产生的内力增量是不同的,其中桁架式拱肋两种情况下的温度效应差别更加明显。对于等截面单圆管钢管混凝土拱肋,完全脱粘时温度荷载产生的竖向位移与完全粘结时产生的竖向位移基本一致;对于桁架式钢管混凝土拱肋,完全脱粘时温度荷载产生的跨中竖向位移略大于完全粘结时产生的跨中竖向位移。 (6)编写了钢管混凝土拱桥面内极限承载力计算程序,该计算程序可以模拟钢管与核心混凝土界面完全脱粘,并以模型试验结果对该程序的正确性进行了考证。分别以一单圆管截面钢管混凝土拱桥和一桁架式钢管混凝土拱桥为例分析了钢管与核心混凝土界面完全脱粘对面内极限承载力的影响。对于单圆管钢管混凝土拱肋,仅在全跨均布荷载作用下面内极限承载力有明显的降低,降低百分比为10%左右;对于桁架式钢管混凝土拱肋,在各种类型荷载作用下,面内极限承载力均降幅较大,降低百分比在20%~60%之间。钢管与核心混凝土界面完全脱粘对桁架式钢管混凝土拱肋的影响大于对单圆管截面钢管混凝土拱肋的影响。 (7)提出了沿拱肋设置有限个内法兰构造限制钢管与核心混凝土之间的轴向滑移,在混凝土中添加膨胀剂减小脱空高度的办法来应对脱空对受力性能的不利影响,提出了内法兰构造的形式,内法兰构造强度和刚度的设计方法。以茅草街大桥和一等截面单圆管拱肋为例分析了设置内法兰构造对钢管混凝土拱桥受力性能的改善作用,分析结果表明内法兰构造能够显著改善脱空之后钢管混凝土拱桥在正常使用及承载能力状态下的受力性能,虽然不能达到完全粘结时的效果但与完全粘结时的受力性能已比较接近。


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