湖南交通科技 第４ＪＤ卷第３期 Ｖｏ１．４０ Ｎｏ．３ ２０１４年９月 ＨＵＮＡＮ ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮ０ＬＯＧＹ Ｓｅｐ．２０１４ 文章编号：１００８－８４４Ｘ（２０１４）０３—００８１－０５ 脱空对钢管混凝土拱桥整体稳定性影响分析 杨玲 （湖南省怀化市高铁广场建设有限公司，湖南怀化４１８０００） 摘要：钢管混凝土拱桥由于可以很好地发挥钢材和混凝土的优势，在我国现代桥梁的 发展中占居十分重要的位置，但是钢管混凝土拱桥在施工及运营过程中经常出现脱空问题。 首先讨论产生脱空的原因，然后建立了空间有限元模型，讨论脱空对钢筋混凝土拱桥整体稳定 性的影响，分析结果表明：钢管与混凝土的脱空会降低钢管混凝土拱桥的整体稳定性，随着脱 空范围的不断增加，钢管混凝土拱桥的稳定系数不断降低。当脱空长度为拱肋长度的１／２时， 全桥布载、半桥布载与半侧布载情况下拱桥的稳定安全系数分别降低了１４％、１８％、２３％。钢 管混凝土中的脱空问题应引起足够重视。 关键词：钢管混凝土拱桥；脱空；整体稳定性 中图分类号：Ｕ ４４５．７ 文献标识码：Ａ ０ 引言 １ 脱空原因分析 钢管混凝土拱桥由于可以很好地发挥钢材和混 依据文献［１，２］的总结，目前，我国钢管混凝土 凝土的优势，在现代桥梁的发展中占居十分重要的 拱桥大量出现脱空的现象，具体原因如下。 位置，钢管混凝土拱桥具有如下优点： １．１施工过程中产生的脱空问题 １）钢管本身就是混凝土模板，因而浇筑混凝土 施工过程中产生的脱空问题主要是因为泵送混 时，可省去支模、拆模等工序，并可适应先进的泵送 凝土的质量达不到设计要求，在搅拌过程中出现泌 混凝土工艺。 水、分层、离析等问题，这导致钢管混凝土的拱肋拱 ２）采用钢管混凝土可充分发挥钢管与混凝土 顶出现空洞，导致钢管与混凝土出现脱空现象。这 的特点，利用钢管的约束作用，提高混凝土的延性。 类问题一般是由于混凝土配合比不合理、或者浇筑 国内外大量研究者对钢管混凝土脱空问题进行 过程中施工组织安排不合理，钢管混凝土的压注时 了研究，文献［１，２］对钢管混凝土脱空问题的最新 间或者浇筑方向控制不当等因素引起 。 进展作了综述，文献［３～６］对钢管混凝土拱桥的稳 １．２钢管混凝土养护或者运营阶段产生脱空 定性进行了分析，虽然目前部分学者对钢管混凝土 混凝土凝结硬化过程中的处理不当也可能产生 拱桥的稳定性进行了分析，也针对脱空问题进行了 钢管与混凝土脱空，硬化过程中的脱空主要是混凝 研究，但建立的分析模型基本上是实体模型，通过钝 土微膨胀剂掺量不合理，导致的核心混凝土收缩引 化钢管与混凝土的连接单元来模拟脱空。这种分析 起的。或者由于轴力、温度，收缩徐变等原因 Ｊ，导 方法计算量很大，计算效率较低，且对脱空的描述缺 致钢管与混凝土在接触面处产生缝隙，导致脱空。 乏足够的物理意义。 不管是那种形式的脱空，最终的结果就是导致 本文在总结脱空原因的基础上，通过钢管混凝 钢管不能很好地约束混凝土，使得钢管与混凝土不 土整体本构模拟粘结完好的钢管拱，通过钢管与混 能整体受力，这样不仅不能发挥钢管混凝土的优势， 凝土单独的本构关系来描述钢管与混凝土的脱空， 甚至使其内混凝土以荷载的形式加载在外侧钢管 然后采用梁单元进行建模对钢管混凝土进行分析， 上，使外侧钢管应力增加，产生对结构受力不利的影 这种分析思路概念清晰，分析效率较高。 响。 收稿日期：２０１４－０４—０７ 作者简介：杨玲（１９８１一），女，工程师，主要从事路桥建设管理。 ８２ 湖南交通科技 ４Ｏ卷 ２ 工程背景 本文以一跨越长江的桥梁为例进行讨论，该桥 主跨为５３０ ｍ中承式钢管混凝土拱桥，净跨５００ ｍ， 拱轴系数为１．４５；采用分离式钢筋混凝土拱座。拱 ３．２钢管与混凝土脱空的模拟 当钢管与混凝土粘结良好时，不考虑脱空，充分 考虑套箍作用，将钢管混凝土视为一个整体，不再区 分钢管与混凝土，采用钢管混凝土本构关系进行模 肋为变高度钢管混凝土桁架结构，拱顶截面高为８ ｍ，拱顶位置１／２断面图如图１所示，拱脚截面高为 １６ ｍ，肋宽均为４ ｍ，拱肋钢管直径１．３ ｍ，壁厚由拱 脚处３０ ｍｉｌｌ渐变到拱顶的２２ ｍｍ。肋间横梁、拱上 拟；当钢管与混凝土存在脱空时，采用钢管与混凝土 分开建模，在同一位置建立两个单元，一个钢管单 元，一个混凝土单元，均采用梁单元，钢管采用钢管 的本构关系，混凝土采用普通混凝土的本构关系。 脱空模拟示意图如图３所示。 立柱处的腹杆规格为６６０ ｍｍ×２２ ｍｍ。主拱圈弦 管、吊杆（立柱）处横联、肋间横梁、立柱横梁处腹杆 钢管内灌注Ｃ６０混凝土，吊杆采用成品平行钢绞 线，两端为挤压型锚具。大桥桥面由钢格子梁、混凝 土桥面板、沥青混凝土组成钢一混凝土组合结构。 桥 中 线 图１拱顶位置１／２断面图（单位：ｍｍ） ３ 有限元分析 ３．１有限元模型 本文采用梁单元或杆单元进行建模，利用大型 有限元软件ＡＮＳＹＳ建立空间模型，拱肋单元可考虑 几何非线性和材料非线性采用Ｂｅａｍ１８８模拟。桥 面单元采用不考虑主梁的材料非线性作用，只考虑 几何非线性的梁单元Ｂｅａｍ４４进行模拟，吊杆采用 空间杆单元Ｌｉｎｋｌ０模拟，桥梁单元采用有限元模型 如图２所示。 图２有限元分析模型 混凝土 ｃ ＋ ． ｂ）脱空后钢雷棍凝土 图３脱空模拟的方式 对于钢管混凝土拱桥，脱空主要集中在在拱顶、 拱脚位置，尤其以拱顶位置为主，本文通过参数分 析，分析拱肋脱空对钢管混凝土拱桥整体稳定性的 影响，脱空分析的共分６种情况，如图４所示。情况 １一情况４为拱顶脱空工况，脱空范围由Ｌ／８一Ｌ／２， 情况５为拱脚脱空工况，每侧拱脚脱空Ｌ／１６，情况６ 为拱顶与拱脚共同脱空情况。 ａ）情况１：拱顶脱空Ｌ，８ ｂ）情况２：拱顶脱空￡，４ ｃ）情况３：拱顶脱空３Ｌ，８ ｄ）情况４：拱顶脱空ＬＩ ２ ｅ）情况５：拱脚每侧脱空Ｌ／１６ ｆ）情况６：拱脚、拱顶均脱空 图４脱空情况 ３期 杨玲：脱空对钢管混凝土拱桥整体稳定性影响分析 ８３ ３．３材料特性 ３．３．１钢管混凝土 本模型的关键在材料本构关系的确定，对于钢 管混凝土材料，理论分析时钢管混凝土组合材料的 本构关系采用文献［８］中的应力一应变关系，如图５ 所示。有限元模型中采用多线性等强模型ＭＩＳＯ进 行模拟。 钢管混凝土的本构关系如式（１）所示： Ｅｓｃ８ ≤ ＳＣ Ａｌ Ｑ ｃ 而 ＜占≤占Ｙ （１） ＳＣ ＳＣ ＋（ 一 ）Ｅ 。 ８，，≤ ｙ≤占 “ ＳＣ 其中： ＝（ｏ．１９２ｆｖ／２３５＋ｏ．４８８ ； 《＝ｏ．６７ｆｖ／Ｅ ； ＝（１．２１２＋骘＋ ）Ｌｋ； Ｂ＝０．１７５ ９（ｆｖ／２３５）＋Ｏ．９７４； Ｃ＝一０．１０３ ８（ｆｃｋ／２０）＋Ｏ．０３０ ９； ＝《＋２（ 一 ）／（Ｅ 。＋Ｅ 。）； Ｅ 。＝ ／《； ｑ＝ ／（Ａｉ 一Ｂｔ ）× ｅ【Ａ （Ｅ 一 ）／ 一 Ｊ： Ｅ 。＝５ ０００ａ＋５５０； Ａ。＝１一（Ｅ 。／Ｅ 。）（ ） Ｂ。＝１一（ ／Ｅ 。）（ ）； 毛＝Ａｓ｛ ｃ｛ｃ 式中 为钢管屈服强度 为核心混凝土抗压强度 设计值； 为混凝土的抗压强度标准值；Ａ 为钢管 截面面积；Ａ 为核心混凝土截面面积； 为套箍系 数；占 为钢管混凝土极限应变。 图５钢管混凝土本构关系 ３．３．２钢管 钢管的本构采用理想的弹塑性本构： ｓ 。≤ ≤ （２） ： 口≤ｓ≤ ｕ 式中：Ｅ 为钢材弹性模量； 为钢材的屈服强度； 为屈服强度对应的应变； 钢材极限应变。有限元 中采用双线性等强模型ＢＩＳＯ对钢管进行模拟。 ３．３．３混凝土 混凝土单轴受压应力一应变关系采用文献［９］ 建议的表达式，不考虑下降段的影响。利用多线性 等强模型ＭＩＳＯ在ＡＮＳＹＳ对混凝土进行模拟。 ：ｆ【 厂ｃ【－一（・一 ）‘】 ≤。＜ 占 。 ≤ 。 ３ 式中： 为混凝土最大压应力； 为混凝土应变； 为对应于混凝土最大压应力 时的应变； 为对混 凝土的极限应变。由于钢管混凝土中的混凝土一般 受压，混凝土受拉的本构采用ＡＮＳＹＳ自动考虑的双 折线进行模拟。 ３．４分析工况 本文首先分析不同脱空情况恒载作用下的特征 值稳定分析，分析工况为１—７。 考虑非线性影响分析，模拟桥梁在自重荷载和 不同活载加载情况作用下各工况的稳定系数，加载 时采取先加恒载，然后逐级施加活载来求解结构的 极限稳定承载能力。每个工况本文均３种情况模拟 活载的布置形式，分别为全桥均布活载、半桥均布活 载及半侧均布活载。每一种脱空情况均进行３种脱 空情况分析，分析工况共２１种，如表ｌ中８—２８所示。 ４分析结果 恒载作用下的特征值稳定安全系数不同脱空情 况下的第１阶和第２阶的特征值稳定系数如表２所 示，可以发现脱空对特征值系数有影响，但不会改变 失稳模态，无论是否脱空第ｌ阶失稳模态均为面外 半波对称失稳，第２阶模态均为面外全波反对称失 稳。主要原因是钢管混凝土共桥的平面外刚度小于 平面内刚度，导致其更容易发生平面外整体失稳。 第１阶、第２阶失稳模态如图６所示。 图７为稳定系数降低幅度随脱空情况的变化规 律，脱空状态见图４。比较后可以发现，拱顶脱空范 围较小时（Ｌ／８）稳定系数下降很小，１阶、２阶稳定 系数仅分别下降０．５％、０．４％。拱角脱空范围较小 时（每侧Ｌ／１６）稳定系数下降也很小，１阶、２阶稳定 ８４ 湖南交通科技 ４ｏ卷 不考虑脱空（理想状态） ５．５４ ７．５８ 拱顶脱空／／８ ５．５ｌ Ｏ．５ ７．５５ Ｏ．４ 拱顶脱空Ｌ／４ ５．４７ １．３ ７．４８ １．３ 拱顶脱空３ ５．２３ ５．６ ７．３５ ３．Ｏ 拱顶脱空／，／２ ５．０５ ８．８ ７．１８ ５．３ 拱脚每侧脱空１／１６ ５．４９ ０．９ ７．５３ Ｏ．７ 拱脚每侧脱空／．，／１６＋拱顶脱空Ｌ／２ ４．９９ ９．９ ７．０６ ６．９ ａ）第１阶，面外半波对称 ｂ）第２阶，面外全波反对称 图６失稳模态 的不断增加，第一类稳定安全系数不断下降。 考虑非线性影响分析，模拟桥梁在自重荷载和 不同活载加载情况作用下各工况的稳定系数，分析 冀 时先施加恒载，再不断增加活载，直至失稳破坏，对 辅 剐 于全桥均布活载及半桥均布活载情况，均布置４道 ．辖 车道，半侧均布活载，只在一侧布置２个车道，如图 ８所示。 考虑了非线性影响的钢管混凝土拱桥的稳定系 数如表３所示，表３中的荷载为恒载＋Ⅳ倍均布活 载，以全桥均布活载为例，Ⅳ倍全桥均布活载，实际 图７稳定系数降低幅度随脱空状态变化规律 施加的车道荷载为４Ｎ。表中稳定安全系数即为』ｖ。 系数仅分别下降０．９％、０．７％。当拱顶脱空范围达 可以发现，在恒载和全桥均布活载作用下，当拱 到１／２时，１阶、２阶稳定系数分别下降了８．８％、 顶脱空范围达到１／２时，其稳定安全系数降低了 ５．３％，考虑拱脚位置也存在脱空后，稳定系数分别 １４％。考虑拱脚位置也存在脱空后，稳定系数分别 降低了９．９％、６．９％。随着拱肋顶部区域脱空范围 降低了１６％。在恒载和半桥均布活载，当拱顶脱空 ３期 杨玲：脱空对钢管混凝土拱桥整体稳定性影响分析 ８５ 车道１ 车道２ 车道３ 车道４ ａ）全桥均布活载 车道１ 车道２ 车道３ 车道４ ｂ）半桥均布活载 车道１ 车道２ 车道３ 车道４ Ｃ）半侧均布活载 图８活载布置情况 表３不同活载布置情况下稳定系数 序号 结合状态 恒载＋Ⅳ倍全桥均布活载 恒载＋．『＼ｒ倍半桥均布活载 恒载＋Ⅳ倍半侧均布活载 ３．Ｏ６ ５．４５ ３．Ｏ３ ５．５Ｏ ２．９０ ５．２７ ３．４３ ５．０ｌ ２．５ｌ ４．１９ ３．Ｏｌ ５．４６ ２．４６ ４．０９ ０．８２ Ｏ．７７ ０．８０ Ｏ．７５ 范围达到１／２时，其稳定安全系数降低了１８％，考 虑拱脚位置也存在脱空后，稳定系数分别降低了 ２０％。在恒载和半侧均布活载，当拱顶脱空范围达 到１／２时，其稳定安全系数降低了２３％，考虑拱脚 位置也存在脱空后，稳定系数分别降低了２５％。结 果表明，钢管与混凝土脱空对稳定性的影响与荷载 类型有关。 在钢管与混凝土粘结良好的情况下，当拱顶脱 空范围达到１／２时，全桥加载、半桥加载、半侧布载 钢管混凝土拱桥的整体稳定性分别下降了１４％、 ｌ８％、２３％。 ５ 结论 本文通过建立有限元模型考虑了脱空对钢管混 凝土拱桥稳定性的影响，研究发现： １）通过采用钢管与混凝土单独的本构关系来 描述钢管与混凝土的脱空建立的有限元模型能较好 的分析钢管混凝土拱桥的稳定性。 ２）随着拱肋顶部区域脱空范围的不断增加，第 一类稳定安全系数不断下降，当拱顶脱空范围达到 １／２时，ｌ阶、２阶稳定系数分别下降了８．８％、 ５．３％，考虑拱脚位置也存在脱空后，稳定系数分别 降低了９．９％、６．９％。 ３）在钢管与混凝土粘结良好的情况下，当拱顶 脱空范围达到１／２时，全桥加载、半桥加载、半侧布 载钢管混凝土拱桥的整体稳定性分别下降了１４％、 １８％、２３％。 参考文献： ［１］苏永亮，焦楚杰，张亚芳，等．钢管混凝土脱空问题的研究进展 ［Ｊ］．钢结构，２０１３（３）． ［２］林春姣，郑皆连，秦荣．钢管混凝土拱肋混凝土脱空研究综述 ［Ｊ］．中外公路，２００５，２４（６）：５４—５８． ［３］沈尧兴，赵志军，华旭刚．大跨度钢管混凝土拱桥的稳定性分析 ［Ｊ］．西南交通大学学报，２００４，３８（６）：６５５－６５７． ［４］张建民，郑皆连，秦荣．南宁永和大桥双重非线性稳定分析 ［Ｊ］．公路交通科技，２００２，１９（３）：５８—６２． ［５］赵长军，王锋君，徐兴．考虑弹性大位移影响的中承式钢管混 凝土拱桥稳定性［Ｊ］．西安公路交通大学学报，２００１，２１（２）：４４ —４６． ［６］涂光亚．脱空对钢管混凝土拱桥受力性能影响研究［Ｄ］．长沙： 长沙理工大学，２００８． ［７］饶德军，张玉红，王忠建．钢管混凝土拱肋泵送混凝土脱空成因 分析与试验观察［Ｊ］．铁道建筑，２００５（３）：ｌ４一ｌ６． ［８］钟善桐．钢管混凝土结构［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００３． ［９］ＧＢ ５００１０—２０１０，混凝土结构设计规范［ｓ］．
