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混凝土组合梁抗弯性能非线性分析

【贵州高速公路开发总公司，贵州贵阳550004】

摘要：本文采用非线性有限元法，对空钢管桁梁、上弦填混凝土桁梁、上下弦均填混凝土桁梁的抗弯性能进行分 析，并将结果进行对比。研究表明：弦杆内填混凝土提高了桁梁的整体承载能力，且上下弦均填混凝土桁梁承载力提 高的幅度较大；弦杆内填混凝土也提高了桁梁中受压弦杆、受拉杆件的内力，同时提高了受拉竖腹杆和受压斜腹杆的 内力；无论是否填充混凝土，桁架整体变形相对较小，其破坏主要受到节点相对变形量的控制。 关键词：桥梁工程；钢管混凝土桁梁；抗弯性能；非线性分析 中图分类号：TU392.3 文献标识码：B

钢管桁架在桥梁结构中得到了广泛的应用，比较 著名的有法国Boulonnais桥、德国aihingenViadukt桥 瑞士Lully高架桥、日本Kinokawa桥。近年来，国 内为也出现了矩形钢管架桥梁，如东莞东江大桥。其 行架弦杆均采用了矩形钢管结构。钢管混凝土桁架在 大跨径拱桥中的应用也十分成功，我国已建成30座 行式肋拱。钢管混凝土桁架也出现在其他桥型中，其 经济效益十分显著。钢管一钢管混凝土组合桁架是一 种新型结构，有利于桥梁在施工和使用阶段的内力控 制和优化，有着广泛地应用前景。 目前，国内外对钢管桁架的研究已较为成熟，许 多成果已直接应用于工程实践中，并行程较完善的技 术规范。钢管混凝土桁架的研究在我国相对较多，国 内为学者进行了圆形钢管混凝土桁架整体模型、桁拱节 段模型、节点疲劳等试验研究，取得了丰富的研究成 果；刘永健等对矩形钢管混凝土架节点的承载力进 行了理论和试验研究，其研究成果被《矩形钢管混 凝土结构技术规程》（CESC159）所采用。对于钢管 钢管混凝土组合结构，国内也有学者进行少量理论 和实验研究，并取得了一定的成果，但由于受到实验 数量的限制，对该类结构受力性能的研究还需进一步 深入

本构关系是非线性分析的关键，对于钢管混凝土 结构来说，钢管和混凝土的相互作用使得钢管和混凝 土都处于复杂受力状态。本文分析时GB 50964-2014 小型水电站运行维护技术规范，钢材的本构关 系采用常见的应力一应变曲线，钢管混凝士构件的本

构关系采用按统一理论得到的应力应变曲线。

钢材的本构关系选用常见的低碳钢应力应变曲线 模型，可分为弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和二次 流塑阶段四阶段，其达式为：

其中：E,=2.06×10°，f.=1.6f,，8=f,/E。，82

2.2钢管混凝土受压的本构关系

钢管混凝土受压时，钢管协助混凝土受力的情况 较为明显，混凝土的强度加强，钢管的屈曲改善。受 压矩形钢管混凝土的应力应变曲线分为弹性、弹塑 性、强化段或下降段： 弹性阶段：Q=E& 弹塑性阶段：+ao²+be+co+d=0 强化或下降段：

2.3钢管混凝土受拉的本构关系

受拉矩形钢管混凝土时的应力应变曲线与钢材的 曲线类似，也分为弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和 二次流塑阶段四个阶段，主要区别在参数取值上，如 屈服强度和弹性模量。本文对受拉钢管混凝土材料参 数的取值是根据试验数据在反复试算的基础上确定 的，主要考虑了混凝土对结构刚度的贡献。

2012年10期（总第94期）

本文选用在工程中广泛使用的Parrt型桁架进行 分析。模型长4.8m，高0.8m，共6个节间；弦杆为 钢管混凝土构件，当为矩形截面时，宽200mm，高 200mm，厚6mm，当为圆形截面时，按用钢量相等取 直径250mm；腹杆为空钢管构件，当为矩形截面 宽160mm，高160mm，厚5mm，当为圆形截面时 按用钢量相等取直径200mm；混凝土为C50，钢材为 Q345。为了简化分析，将模型设计成简支结构。分 别对空钢管桁架、上弦填混凝土桁架、上下弦均填混 凝土桁架的极限承载力进行分析，分别成为BO、B1、 B2，模型单元划分如图1所示，模型加载如图2 所示。

空钢管桁架中，1~25号单元全部为钢管单元； 上弦填混凝土桁架中，1~25号为钢管单元，26~31 为受压混凝土单元；上下弦均填混凝土桁架中，1 25号为钢管单元，26～31为受压混凝土单元，32~ 37号单元为受拉混凝士单元。

结果表明：3桁架的极限荷载分别为B0= 302.6kN，B1=340.5kN，B2=380.5kN。B1桁架的 极限荷载比BO提高了12.5%，B2比B1提高了 1.7%。B1比B0承载力高了约12%，这说明在受 压弦杆中内填混凝土能够提高架的承载能力。B2 比B1承载力提高了约12%，这说明受拉弦杆内填充 昆凝土同样可以提高桁架的承载力。但由于混凝土对 节点刚度的贡献，可能改变了节点的失效模式。 由图3中各桁架的荷载－跨中度曲线可知： 1）内填混凝士后，桁架的整体承载能力均有一定

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图3跨中荷载挠度关系

对于桁架结构，杆件以轴向受力为主，弦杆受力 与桁架承受弯矩方向有关，而腹杆受力与桁架节点形 式有关。本文模型为Parrt型桁架，图4、图5给出了 3棉桁架中上弦、下弦轴向受力的对比情况；图6、 图7给出了3榻桁架中竖腹杆、斜腹杆轴向受力的对 比情况

图4上弦杆轴力分布图

由图4、图5可以看出：（1）上弦受压杆件中 BO~B2桁架各杆件受力呈增大趋势，且各杆件的受 玉较为均匀，说明受压弦杆内填混凝土增强了杆件承 载能力。（2）下弦受拉杆件中，BO~B2桁架各杆件 受力也呈增大趋势，且各杆件的受压较为均匀，仅七 号单元内力较小，且杆件内力变化不大，说明B2桁 架中下弦填充的混凝土对提高杆件内力有一定作用。 由图6、图7可以看出：（1）3榻桁架中竖腹杆 的内力相差不大，仅在桁架中段受拉杆件中内力有所 提高，说明弦杆内填混凝土对受拉竖腹杆内力影响较 大，杆件内力分布不均匀。（2）3榻桁架中斜腹杆的

图5下弦杆轴力分布图

图6坚腹杆轴力分布图

图7斜腹杆轴力分布图

内力也相差不大，仅在桁架边段受压杆件中内力有所 提高，说明弦杆内填混凝土对受压斜腹杆内力影响 较大。

图8~图11分别给出了桁架节点沿梁跨方向的 挠度变化情况。当3榻架的荷载分别大于90.8kN、 102.2kN和113.5kN时，结构非线性特性明显；桁架 的跨中最大挠度分别为17.66mm、17.55mm和 14.98mm。分析结果表明：（1）3桁架跨中最大变 杉量相差不大，跨中节点最大挠度值相对较小，整体 变形不是桁架承载力的控制因素。（2）3榻桁架节点

相对变形是影响节点破坏的关键因素。由图4~图6 可以看出，BO桁架节点相对变形较为均匀，但边段 相对较大些；B2桁架由于内填了混凝土，节点相对 变形在桁架中段较小、，边段较大。因此GBT1499.1-2017 钢筋混凝土用钢 第1部分：热轧光圆钢筋，无论是BO 行架还是B2桁架，桁架破坏一般发生在边段节点 上，这与试验资料相符。（3）从线性变形阶段来 看，B0临界点最小为90.8kN，B2临界点最大为 113.5kN，这说明弦杆内填充混凝土后，结构在弹 性阶段的承载力大大提高，这对该结构的工程应用 是有利的

图8BO析架节点挑度分布图

图9B1析架节点提度分布图

10B2桁架节点挑度分布图

（1）钢管桁架弦杆内填混凝土，可以提高桁架 的极限承载力。仅上弦填混凝土，桁架的承载能力提 高约12%；上下弦均填混凝土，桁架的承载力又可 提高约10%

DB34／T 3267-2018 公路养护工程设计文件编制规范2012年10期（总第94期）

（3）若是一联2孔结构，浇注1#墩上小箱梁连 续段，负弯矩张拉和压浆完成以后，从边跨开始向中 跨逐步进行的体系转换。

目前预制小箱梁先简后连结构体系在公路和市政 工程得到广泛应用，其关键施工技术为先简后连。本 文通过总结对施工关键控制点提出施工技术控制措施 实践检验效果较好，望可供同类型桥梁施工参考