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、前言我國鋼管砼的研究和應用都已取得了很大的成果，鋼管和砼的相互組合應用，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，使結構逐漸加強和形成，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，防護很麻煩，大直徑鋼管的用鋼量偏大，加工費較高，桁架結點的焊接處理困難，造價偏高，影響了鋼管砼的競爭與發(fā)展。2、復合鋼管砼復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合稱作復合(即組合或結合)鋼管砼，名稱簡明直觀。這里所指的復合鋼管砼，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，按構造和內力需要配筋，起到參與受力和防護的雙重作用。使鋼管的加工方便，聯(lián)結的加勁處理靈活方便，再立模板澆筑外包砼也簡便，只相當于加固和裝修工程?，F(xiàn)在鋼管砼拱橋的銹蝕防護，多以油漆為主，也有噴鋅、鋁和高分子涂料的。前者能保持3~5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15oC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)濟合理的。故采用較小管徑的復合鋼管砼，可簡化加工方法，再外包鋼筋砼形成所需的截面，按受力和構造需要配筋，使結點處理方便，用鋼量較合理，是鋼管砼的合理應用形式?，F(xiàn)在鋼管砼僅用在單一的拱橋中，采用復合鋼管砼材料，可以在橋梁上得到廣泛的應用。3、復合鋼管砼的發(fā)展復合鋼管砼的結構形式，工程中已有應用先例，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。而強的勁性骨架剛度較大，施工安全性好，充分發(fā)揮鋼管砼的主要承力作用，這就是復合鋼管砼所要提倡的。對于復合鋼管砼的截面，不計鋼管砼的特殊作用，顯然是不合理的，這是復合鋼管砼需要解決的問題。實際上鋼管砼與鋼筋砼結合的復合鋼管砼，在橋梁和建筑中有成功的應用，與加固工程所用的原理基本相同，效果良好。4、復合原理復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)律可供復合鋼管砼借鑒。筆者在“鋼管砼短柱強度計算新探”一文中，已將鋼管砼的承載力，按材料強度實現(xiàn)了分離計算，將其應用在復合鋼管砼中，也能實現(xiàn)復合鋼管砼的鋼管、內填砼、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力疊加計算。設計假定：①鋼管與外包砼之間結合良好，外包砼不能剝離，形成整體截面，兩者能夠協(xié)同工作。②受拉和受壓鋼筋、鋼管采用理想彈塑性的平面應力—應變關系。③鋼管內填砼飽滿。④受拉區(qū)的砼不參加工作。⑤鋼管砼受彎矩作用時，對應縱向應變?yōu)殇摴芗绊诺氖芰顟B(tài)與鋼管砼的軸心受力時相同，縱向應變的鋼管及砼的受力狀態(tài)相同。⑥鋼管砼作為勁性骨架，應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，外包砼的標號應用得較高，以便具有較強的粘結力。除受力鋼筋以外，要加強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，砼太薄會影響粘結力的發(fā)揮，也要影響砼的澆筑操作。燈5、培內力疊加法艇實漸踐證明鋼骨何和鋼管砼的枯外包砼能夠勞結合為整體免，構件截面暗的應變復合片平面的假定黎。采用加強糞箍筋、錨固絲鋼筋和較高娛標號的砼，誘就能加強截敗面的整體作禿用。鋼管砼謝在鋼管的彈絮塑性變形階各段，有明顯歸的應力調整亮現(xiàn)象。由于隊砼的收縮和慰徐變，復合徹鋼管砼截面敏的應力重分挖布是非常明稱顯的。前期中的施工加載枯在截面中有包明顯的應力野疊加現(xiàn)象，召后期加載和出使用期間，通就呈現(xiàn)出內刪力疊加現(xiàn)象次。應力疊加卷是出現(xiàn)在彈蔥性階段，施皇工加栽階段邪可以用應力須疊加作計算氧，便于配合止測試和用應甘力值來控制乳結構的安全悠狀態(tài)。極限娛狀態(tài)法已考羽慮了材料的歇塑性作用，洪故內力疊加帶是出現(xiàn)在彈虎塑性階段，塔應該采用極隨限狀態(tài)法作大計算。所以微，鋼骨砼就干采用簡單內同力疊加法來氣計算，復合蹤鋼管砼也可乖以采用簡單散內力疊加法峽來計算。工龍程中的結構匹加固，達到址使結構內力憤發(fā)生調整和軟加固的目的慚，即是內力來疊加原理的廚應用。由塑啟性理論下限如定理可知，寨對于滿足平游衡條件的，音由任意軸力增分配所確定薯的各部分受治彎承載力之逮和中，真實沫的極限承載壁力為最大值程。根據(jù)這一賽理論，采用各疊加方法計盜算的結果，披總是偏于安聰全的。內力藝調整的中間天過程是復雜誕的，只要注宅意勁性骨架布的強度和穩(wěn)輔定，能夠保旦證施工安全事，可不考慮西應力調整的激中間變化過什程，只以最晶大的極限承映載力作控制旦。海內力疊加理艘論的計算公降式：鋼管砼他短柱承載力嘴No=As冬F(xiàn)s+A幼cfst/干rc+Ac芹Fc哥=N寒st軋+N肯sc拳+N浩nc拳擇笑嗎基本形式：親N柏≤翼N念st綿+N晉sc隊+N漁nc閑+N鐮wc干（鋼管、鋼欲管緊箍力、答鋼管內填砼曲、外包鋼筋旗砼）滔季消M坡≤遙Mtc+小M黨wc抵幅（鋼管砼、佛鋼筋砼）屬植正禁銅糾挖鎮(zhèn)美決香戲親織守括科按加載受力宏情況分為：跌當N鐮≤鋸N趕st跨為姥鋼管砼受拉搭時快{膝擋N繭=N拴st攀鋼管承受拉慎力，M剃≤蕉M柴st穿鋼管砼承受兩彎矩買}占；蛙當N惹≤摟N擴st籠+N餓sc錯+N肯nc御為瑞鋼管砼勁性蜂骨架加載濟時截{圣N都=壇N敢st揮+N控sc媽+N局nc回，落獻M院≤尖Mst蜻鋼管砼承受頁軸壓力和彎興矩扛}遭；陵當N沉≤翼N粱st悶肯+才N失sc始+N限nc+沉N釘wc憤為即復合鋼管砼撲加載磁時棟{燕N=N胡st局+礦N個sc遍況+盯N回nc災+N扯wc仇，M邀≤鍋Mtc陪+M泊wc公鋼管砼和外史包鋼筋砼承優(yōu)受軸壓力和梅彎矩君}也；汽④述碑當N嫩≤壇N霉tc誦+徑N膚wc丟，為扶復合鋼管砼棵加載受拉仔時，M期<窗M兇wc態(tài)時昨{線N發(fā)=暖N味st疼+N好wc首鋼管和鋼筋座承受拉力，溉M=M壘wc寧鋼筋砼承受撓彎矩后}仿。環(huán)式中：忌N江、下M如—傻為計算的受此壓軸力和彎蹤矩設計值；鞏N花st按—昌為鋼管部分術的軸心受壓狀承栽力；脂熔掀N社nc李—蠻為鋼管內填繭充砼部分的恰受壓承載力捐；N么sc容—菊為鋼管內填熊砼的緊箍力產(chǎn)提高強度部英分的軸心受畫壓承載力；吹Nst葛，M拐st去—尾為鋼管砼茅(桃勁性骨架陜)鋸部分的軸心久受壓和受彎鴿承載力；N計wc丸—醋為外包鋼筋躲砼大、小偏陣心受壓界限貢破壞時的軸予心受壓承載辰力；M與wc前—涌為鋼筋砼大環(huán)、小偏心受院壓界限破壞腐時的受彎承透栽力；N座st搜—參為鋼管的軸由心受拉承載煌力；N礙wc亡—匠為外包鋼筋次砼的軸心受板拉承載力。院洋6、村內力疊加的酬特點側在以上計算折中的參數(shù)，元鋼管砼部分若按鋼管砼的僻內力疊加法嚼計算，外包元鋼筋砼部分眼按鋼筋砼的兼規(guī)程計算。獸在計算外包根鋼筋砼部分聯(lián)的承載力時煤，如果按內啊園外方的截哄面來計算，爬是很麻煩的跳，可以偏安活全的將內園閥外方的截面母簡化為箱形心截面，按工陵字形截面計江算，見圖（沾一）。春公式的計算還結果是安全迅的。實際在敲施工過程中搭，首先是充耽分發(fā)揮鋼管襯砼勁性骨架做的作用，然農(nóng)后才是外包根鋼筋砼發(fā)揮贊作用，并發(fā)即生應力調整責。鋼管砼勁貫性骨架的截綠面較小，剛虹度較小，彎歲矩較小，要式按鋼管砼長抖柱計算，以畝驗算骨架階單段的安全。進鋼管砼骨架擠的彈性模量共較大，承載衫能力強，承姑受主要荷載面，先要發(fā)生遷較大的初始子變形，以后慕才是和外包瓦鋼筋砼共同寨承力，能使柜二者的變形鄭比較協(xié)調一蓋致。為了發(fā)姿揮復合材料撐的優(yōu)點，鋼亮管砼與外包冊鋼筋砼的截姨面疊合比值膝不宜過小，前一般應大于須0.選30。將一幸期軸力單獨袋施加到鋼管遮砼骨架上，陶剩余軸力由汽鋼筋砼來分劑擔，就降低罪了鋼筋砼部凳分的軸壓比噴。由鋼管砼王承擔大部分頑軸力，可以爭提高鋼管砼婚骨架的軸壓師比，充分發(fā)革揮鋼管砼勁榆性骨架的作有用，保證鋼受管砼骨架產(chǎn)曠生較大的初副始壓應變。歸若鋼管砼未際加初始壓應女變，而與外串包鋼筋砼同必時加載，將丹導致外包鋼照筋砼先局部車剝離破壞，書也不符合鋼女管砼作勁性靈骨架施工的額實際受力情乳況。在壓彎馳構件中，復妥合鋼管砼的碌應力調整，宋是在外包鋼慮筋砼以后，恰截面剛度加傭大，外包鋼積筋砼參加受遼力，鋼管砼縣軸力的增加尚會減小。鋼煙筋砼的軸力絮和彎矩達到鹽最大以后，番軸力會開始說減小，鋼管延砼的軸力會捏增大。外包皂鋼筋砼的收貸縮和徐變，微是卸載的原救因和應力調轎整的條件，樣也是不同材聲料相互之間腸的互補性和然軸向力的轉悔移傳遞秒,訂見圖（二）升。霸當外包鋼筋剩砼發(fā)揮作用劫時，鋼管砼逢的軸力增加冊將變得緩慢燈，最終才達進到最大，故制鋼管砼的承逐載力應當留麗有安全余地援。為了配合形鋼管砼和外裹包鋼筋砼的貼應力調整變賓化，外包鋼簽筋砼施工的商時間，應按靈施工方便和銜加載程序要擠求而定。內僻力調整是應見力的變化過另程，是普遍附存在的現(xiàn)象屠，是內力疊點加公式建立知的基礎。由雕于鋼管砼的英初始壓應變探較大，在壓地彎狀態(tài)中軸診力重分配的父幅度會更大婦一些。所以尿，復合鋼管須砼是有一定遠規(guī)則的，既西要充分發(fā)揮舍勁性骨架的膝作用，又應墻保留較大的攜安全余地，教以保證施工似安全。7、算例：韻（1）鋼管室砼骨架：見聯(lián)圖（三）。腹按《烤鋼管砼短柱目強度計算新協(xié)探》方法計嘩算。彩泰廈噸猛逐令16Mn傻鋼管姜?慌550x1妥0策鋼管內半徑裙rc=26抵5mm變電鋼管壁厚吳t=10m砍m盟鋼管面積A疲s=169口.野6就cm福2湯牛飯且掃供鋼管設計強妄度喜fs=31膛5mpa匙C50勝汗顏粱砼否Ac=22弓06.2c嫩m渠2昨慧傳砼設計強度涼fc=23彩.5mpa馳裳典軸向壓力季N干1相=2899戲4KN理魂純壯彎距簡M昌1來=870K支N.m看嶼餡偏心距矮eO=0.遼03m幻腿懂掀脹貨學綁匙犧黑勾暢旺采也這席鋼瞇管砼短柱承和載力：翼No=As暫Fs+Ac鈔Fc+Ac餐fst/r貼c=(16礎9.6x3指15+22良06.2x嚼23.5+孝2206.魂2x315疼x10/2前65)x1燈0援ˉ林1虎=131配49KN乖肆恢塘隱計算長度段LO=0.跨5L=0.削5X400嚼=200c光m尚奴拉LO/D子=200/僑55=2.蹤463明<專4啟縱向彎曲添系數(shù)壇φl=1踩中偏心距系數(shù)敏eO/r圈=30/2竄65=0.袋113答<往1.55滲撿考慮偏心影搞響的承載力銀系數(shù)煤φ鼓e=1/(店1+1.8酬5eO/撈r)=1/矮(1+1.不85x0.燕113/2特65)=求0柔.紙827她米鋼管砼承載釀力幫Ntc=3應φl組φ回eNO=3左x1x屑0較.論827登x1314楊9=3漏2623愁KN醬>滑=N身1載=2899就4KN.M來施加載軸壓比獲N1/屢Ntc昌=289囑94/郵3彈2623=有0.轉89霞婆殖哲躺(2)移外包鋼筋混段凝土：見圖壇（四）。駛敬續(xù)三傾降刊婦榮塵亡額遣糕癥灰按《公路鋼輛筋混凝土及蔑預應力混凝檔土設計規(guī)范葉》（墨JTJ憑023劇—暑85歪）計算。殺軸向力蛋N老2脊=112雁59KN僚彎距促M恒2絨=920膏KN.m久概Ⅱ緣級鋼筋惑C50受鋼筋強棋度顫Rg=澆伶Rg′=3嗽40mpa模麥砼強度Ra霜=雁28.5m框pa蛋攜豆22然Ф沉14列蘭Ag=終Ag′厲=33.9造cm寸2霜偏心距穴eO=暗920/1蔥1259=霸8cm佩叢e傘=5紫4聚cm演卻e情′娛=3壺8飼cm董忠長RabX(芬e-h+X袍/2)+R撕a(bj-懂b)hj僚′商(e-h溝o+hj獵′級=σgAg仔e+Rg撈′抖Ag魯′倡e印′瞞σg=60碗0(0.9光ho/x盈-1)縮28.5x丸220X(鉤8-9要6縮+X/2)版+28.5局x(220運-55)x死22.5x礦(8-9夾6廳+22.5浙/2)=6堆00x(0文.9x9偶6恢/X-1)羊X33.9愉x5寒4厲+340X熄33.9X隔3休8瓦拐巾X3–0.高028X2擋–柜2201礙.6X-3盾0271=隔0襪X=52.剛7cm惜g=600神x(0.9購x96/5吼52σ.7段-1)=3弟83mpa衡研書證取汪σg=3暗40飛mpa肚Nwc良=尖(rb/r敞c)[Ra拜bX+Ra憂(bj趕′城-b)hj虛′元]+(rb效/rs)聯(lián)(榆R院g悄A列g′省-嶄σgAg凈)=山(0.95勿/1.25梨)x[28肆.5x55購x52.7能+28.5僻x藏澆父(220-史55)x2樂2.5]x隙10ˉ1+顛(0.95板/1.25報)x(34覆0x33.灣9-34冤0x33.捉9)x10佩ˉ1=13獲832K素N瘦>話N梳1仗=112效59KN窄Mwc幅=況(囑rb爸/期r川c)[必RabX潔(戲h租O-輝X/2把)+除R獲a(怎bj陣′擋-監(jiān)b靠)挑hj轎′脆(紡h躁o-蜘hj響′枯/純2帖)]+(r忙b呆/rs)(謹R勁g′洋A丑g′爽(秘h而o-拴a壘g′)殼鍵啞檢=稼(0.95罷/1.25命)x[28厲.5x55形x52.7異x(96-眨52.7/屑2)+28茄.5x(2副20-55陰)x22.蒸5x(96邀-22.5捆/2)]x哀10ˉ3+拋(0.95盞/1.25茂)x(34怕0x33.能9x(96純-4)x1密0ˉ3=1羨1581辣KN.m浩>爽M2=飽920KN暮.姑(3)始內力疊加法魚：好焰霜狼∑遼=N1+N田2=289繳94+11界259=4進0253誠KN菌<強Ntc緊+N董wc沒=屢3乳2623+艘13832描=4645源5筍KN漠渣燦德破嶺休∑傘M=M1+洪M2=87為0+920豪=1790然KN.m少<手室Mwc=晚11581按KN.m帖本算例為較藍強的勁性鋼側管砼骨架，址計算鋼筋砼淡時配筋較弱釘，鋼筋砼的俘強度將先達躺到最大，因貸為鋼管砼骨騙架的承載力惹還留有安全午余地，即加督強主要材料翅的原則。如胸果是較弱勁炒性鋼管砼骨灶架，鋼管砼恰骨架的承載茂力將達到最怨大，而鋼筋筍砼應該加強火配筋，使鋼洗筋砼中留有通較大的安全扒余地，這也斜是加強主要國材料的原則叉。所以，這到是強、弱勁籮性鋼管砼骨劃架在復合鋼諷管砼計算中兆的區(qū)別和特戚點，本文也干解決了弱勁靈性鋼管砼骨噴架在復合鋼規(guī)管砼中計算雞的方法問題驗。因此，勿拉論骨架