钢管混凝土脱空及PBL连接键影响分析.pdf

———文章编号：１００９４５３９（２０１７）０３００２８０４・科技研究・钢管混凝土脱空及ＰＢＬ连接键影响分析俞文龙（中铁十七局集团有限公司山西太原０３０００６）摘要：介绍并验证了采用ＡＢＡＱＵＳ有限元软件计算钢管混凝土短柱极限承载力的方法，计算分析了不同脱空率下钢管混凝土短柱破坏模式及极限承载力，对比分析了在脱空部位设ＰＢＬ连接键后脱空钢管混凝土短柱的受力性能。结果显示：随着脱空率的增大，钢管混凝土短柱的极限承载能力不断下降；在脱空部位设ＰＢＬ连接键后，钢管混凝土的破坏模式发生变化，破坏阶段的承载能力有所提高，且当脱空率在Ｏ～４％或大于１６％范围内时，ＰＢＬ连接键对脱空钢管混凝土短柱极限承载力起增强作用，而当脱空率约在４％～１６％范围内时，设ＰＢＬ的钢管混凝土短柱极限承载力反而低于原脱空钢管。关键词：钢管混凝土脱空ＰＢＬ连接键力学性能中图分类号：Ｕ４４１文献标识码：Ａ—ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９４５３９．２０１７．０３．００７ＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆＳｅｐａｒａｔｉｏｎａｎｄＰＢＬｏｎｔｈｅＭｅｃｈａｎｉｃｓＢｅｈａｖｉｏｒｏｆＣｏｎｃｒｅｔｅ．ｆｉｌｌｅｄＳｔｅｅｌＴｕｂｅｓＹｕＷｅｎｌｏｎｇ（ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙ“１７ＢｕｒｅａｕＧｒｏｕｐＣｏ．Ｌｔｄ．，ＴａｉｙｕａｎＳｈａｎｘｉ０３０００６，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄａｎｄｖｅｒｉｆｉｅｄｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｕｓｉｎｇＡＢＡＱＵＳｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｏｆｔｗａｒｅｔｏｃａｌｃｕｌａｔｅｔｈｅｕｌｔｉｍａｔｅｂｅａｒｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙｏｆ—ｃｏｎｃｒｅｔｅｆｉｌｌｅｄｓｔｅｅｌｔｕｂｕｌａｒｓｈｏｒｔｃｏｌｕｍｎ．Ｔｈｅｎ，ｉｔｃａｌｃｕｌａｔｅｄｔｈｅｕｌｔｉｍａｔｅｂｅａｒｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙａｎｄａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅｏｆｔｈｅ—ｃｏｎｃｒｅｔｅｆｉｌｌｅｄｓｔｅｅｌｔｕｂｕｌａｒｓｈｏｒｔｃｏｌｕｍｎｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｅｐａｒａｔｉｏｎｒａｔｉｏ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｐａｐｅｒ—ｃｏｎｔｒａｓｔｅｄｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｃｏｎｃｒｅｔｅ－ｆｉｌｌｅｄｓｔｅｅｌｔｕｂｕｌａｒｓｈｏｒｔｃｏｌｕｍｎｗｈｅｎｓｅｔｔｉｎｇＰＢＬｉｎｔｈｅｓｅｐａｒａｔｉｏｎａｒｅａ．Ｔｈｅｒｅ・ｓｕｈｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｕｌｔｉｍａｔｅｂｅａｔｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙｏｆｃｏｎｃｒｅｔｅ－ｆｉｌｌｅｄｓｔｅｅｌｔｕｂｕｌａｒｓｈｏｒｔｃｏｌｕｍｎｗａｓｄｅｃｌｉｎｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｓｅｐａｒａｔｉｏｎｒａｔｉｏ．Ｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅｓｏｆ—ｃｏｎｃｒｅｔｅｆｉｌｌｅｄｓｔｅｅｌｔｕｂｅｗｏｕｌｄｂｅｃｈａｎｇｉｎｇｗｈｅｎｓｅｔｔｉｎｇＰＢＬｉｎｔｈｅｓｅｐａｒａｔｉｏｎ—ａｒｅａ．Ｔｈｅｂｅａｔｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙｏｆｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｓｔａｇｅｗａｓｉｍｐｒｏｖｅｄ．ＳｅｔｔｉｎｇＰＢＬｉｎｔｈｅｓｅｐａｒａｔｉｏｎａｒｅａ，ｔｈｅｕｌｔｉｍａｔｅｂｅａｒｉｎｇ—ｅａｐａｃｉｔｖｏｆ—ｃｏｎｃｒｅｔｅｆｉｌｌｅｄｓｔｅｅｌｔｕｂｕｌａｒｓｈｏｒｔｃｏｌｕｍｎｗａｓｉｍｐｒｏｖｅｄｗｈｅｎｔｈｅｓｅｐａｒａｔｉｏｎｒａｔｉｏｗｉｔｈｉｎｔｈｅｓｃｏｐｅｏｆ０～４％ｏｒｇｒｅａｔｅｒｔｈａｎ１６％．Ｈｏｗｅｖｅｒｔｈｅｕｌｔｉｍａｔｅｂｅａｔｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙｗａｓｄｅｃｒｅａｓｅｄｗｈｅｎｔｈｅｓｅｐａｒａｔｉｏｎｒａｔｉｏｗｉｔｈｉｎｔｈｅｓｃｏｐｅｏｆ４％～１６％．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｃｒｅｔｅ－ｆｉｌｌｅｄｓｔｅｅｌｔｕｂｅ；ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ；ＰＢＬｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇｋｅｙ；ｍｅｃｈａｎｉｃｓｂｅｈａｖｉｏｒ１概述我国是应用和研究钢管混凝土结构最多的国家Ｈ。３Ｊ。根据钢管与混凝土的粘结状态，钢管与混凝土之间的工作状态可以分为三种：（１）径向挤压；”（２）径向临界；（３）径向脱空ｏ。而钢管与混凝土脱“空往往导致结构变形加大，极限承载力降低口ｏ，影响结构安全，因此研究钢管混凝土脱空病害意义—收稿日期：２０１７０１一０６基金项目：中铁十七局集团有限公司科技研究开发计划项目（２０１５－９１）作者简介：俞文龙（１９８９一），助理工程师，主要从事桥梁设计与施工。重大。根据钢管混凝土脱空的实际情况，一般将脱空分为两大类：第一类为不密实引起的脱空；第二类为脱粘引起的脱空。两类脱空具有本质的区别，从脱空后的形状上看，第一类脱空可能如图１中（ａ）、（ｂ）、（Ｃ）所示，可近似按图（Ｃ）简化计算；第二类脱空可能如图１中（ｄ）、（ｅ）所示，可近似按图（ｅ）简化计算＂出１。本文以第一类脱空为研究对象，主要分析不同脱空率对于钢管混凝土短柱极限承载力的影响，同时分析在脱空部位增设ＰＢＬ连接键对于钢管混凝土短柱受力性能的影响。铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１７（０３ｌ万方数据・科技研究・（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）图１钢管混凝土脱空示意２计算参数设计参考文献［９］的试验数据，拟定本文的计算参数如图２、表１、表２所示，材料的力学性能根据试验测得，混凝土立方体抗压强度为５０．５ＭＰａ，混凝土轴心抗压强度为３２．５７ＭＰａ，钢材的屈服强度为３６８ＭＰａ，钢材的极限强度为４４９ＭＰａ。图２模型参数示意表１钢管混凝土外形参数ｍＥＰＢＬ外径壁厚高度ｈ。ｄ。ｄｔｓ１６５３．５４４８０５０６０３０３．５４表２计算参数明细序号试件编号脱空高度／ｍｍ脱空率／％１Ｃ一００Ｏ２Ｃ一４４Ｏ．６８３Ｃ一１０１０２．６５４—Ｃ１８１８６．３０５Ｃ一２８２８１１．９８６Ｃ一４０４０１９．９１７Ｃ一４一ＰＢＬ４０．６８８—Ｃ一１０ＰＢＬ１０２．６５９Ｃ一１８一ＰＢＬ１８６．３０１０Ｃ一２８一ＰＢＬ２８１１．９８１１Ｃ一４０一ＰＢＬ４０１９．９ｌ３有限元模型３．１钢材和混凝土本构关系对于钢管混凝土短柱的极限承载力计算，材料的非线性本构关系是关键，钢材采用的双折线本构关系，弹性模量Ｅ取为２．０６ｘ１０５ＭＰａ、泊松比肛取为０．２８３［１０】；混凝土采用单轴应力应变本构关系，弹性铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ模量Ｅ取为３．４５Ｘ１０４‘ＭＰａ，？自松比肛取Ｏ．１６７１１１，钢材与混凝土的非线性本构关系曲线如图３所示。Ｓｂ．混凝土图３材料本构关系曲线３。２单元类型选取与模型网格划分基于ＡＢＡＱＵＳ有限元软件，钢管采用Ｓ４Ｒ四节点缩减积分壳单元模拟，核心混凝土与ＰＢＬ连接件采用Ｃ３Ｄ８Ｒ八结点缩减积分六面体实体单元模拟，端板采用刚性面模拟。有限元网格尺寸对计算影响很大，网格尺寸划分过大将会影响计算精度，若网格尺寸划分过细，计算时间将大大增加，同时有可能导致计算不收敛。文献［１２］经计算分析，得出当网格尺寸小于１０ｍｍ之后，改变网格尺寸对计算结果影响很小，本文计算钢管与混凝土的网格大小取为１０ｍＥ。具体有限元模型如图４所示。一一２０１７（０３ｊｂ．ＰＢＬ｛ＢＩ管混凝土图４有限元模型及网格划分２９万方数据・科技研究・３．３钢一混凝土界面模拟钢一混凝土界面采用接触模拟，钢管作为主面，混凝土作为从面。钢管与混凝土界面法向采用“”硬接触；切向采用库仑摩擦，摩擦系数取为０．３ｕ２。，粘结强度取为０．４６２ＭＰａ¨…。３．４模型验证根据以上方法建立钢管混凝土短柱有限元模Ⅳ型，计算得出其承载力ｆｉ。。＝１６５６．６ｋＮ，文献［９］Ⅳ试验得出的短柱承载力ｅ。咖。＝１６３０．０ｋＮ，而根据《钢管混凝土结构设计与施工规范》（ＣＥＣＳ—２８２０１２）中的钢管混凝土承载力计算公式计算得出的承载力ＮｃＥｃｓ＝１７５５．９ｋＮ。各计算方法得出的承载力结果对比如图５所示，有限元计算结果与试验数据相差１．６％，与ＣＥＣＳ承载力公式计算结果相差６．０％，可以判定有限元模型计算精度较高，计算结果准确可靠。８００６００４００２０００００８００霉蕊由于脱空率较大，即使增加了ＰＢＬ连接键，脱空侧的相对刚度较未脱空一侧也小，且由于ＰＢＬ连接键上有开孔，其对钢管的约束刚度有差异，因此导致了钢管波形变形的出现。各试件典型的破坏形式如表３及图６所示。表３计算试件破坏模式序号试件编号脱空率／％破坏模式ｌ—ＣＯ０中部鼓曲２Ｃ一４０．６８向脱空侧弯曲，钢管在脱空中部凹曲３Ｃ一１０２．６５向脱空侧弯曲，钢管在脱空中部凹曲４—Ｃ１８６．３０向脱空侧弯曲，钢管在脱空中部凹曲５Ｃ一２８１１．９８向脱空侧弯曲，钢管在脱空中部凹曲６Ｃ一４０１９．９Ｉ向脱空侧弯曲，钢管在脱空中部鼓曲７Ｃ一４一ＰＢＬＯ．６８向未设ＰＢＬ侧（未脱空侧）弯曲向设ＰＢＬ侧（脱空侧）弯曲，８Ｃ一１０一ＰＢＬ２．６５钢管与ＰＢＬ连接处出现波形变形向设ＰＢＬ侧（脱空侧）弯曲，９Ｃ一１８一ＰＢＬ６．３０钢管与ＰＢＬ连接处出现波形变形向设ＰＢＬ侧（脱空侧）弯曲，１０Ｃ一２８一ＰＢＬ１１．９８钢管与ＰＢＬ连接处出现波形变形向设ＰＢＬ侧（脱空侧）弯曲，１１Ｃ一４０一ＰＢＬ１９．９１钢管与ＰＢＬ连接处出现波形变形试件承载力承载力序号脱空率／％承载力／ｋＮ编号折减／％折减系数１—ＣＯＯ１６５６．５９０．ｏｏ１．００２Ｃ一４０．６８１６３５．１２１．３１０．９９３Ｃ一１０２．６５ｌ５８６．０７４．４５Ｏ．９６４Ｃ一１８６．３０１５０７．３６９．９０Ｏ．９０５Ｃ一２８１１．９８１３８２．５０１９．８２０．８０６Ｃ一４０１９．９１１２３８．３５３３．７７０．６６万方数据・科技研究・ｂ．混凝土ａ．钢管ｂ．混凝土ａ．钢管ｂ．混凝土（３）Ｃ一１０－ＰＢＬ图６钢管混凝土破坏模式位移／ｒａｍ图７钢管混凝土试件荷载一位移曲线Ｏ４．３ＰＢＬ连接键作用分析在钢管混凝土短柱脱空部位增设ＰＢＬ连接键后，当钢管混凝土短柱受压时，脱空部位钢管与混凝土之问会通过ＰＢＬ连接键传递荷载，此荷载会对脱空部位的核心混凝土起到一定的约束，此约束对混凝土受力有一定的帮助作用。但同时ＰＢＬ连接键传递到钢管的荷载会使钢管受到面外荷载，此荷载对于钢管的受力起到的则是削弱作用。考量ＰＢＬ连接键对脱空钢管混凝土短柱受力性能的影响，主要就看这两种作用的强弱，而影响这两种作用强弱的主要因素是脱空率，从表５及图９可以看出，当钢—管混凝土脱空率在０４％或大于１６％范围内时，ＰＢＬ连接键对于脱空钢管混凝土短柱极限承载力是增强作用；而当脱空率大约在４％～１６％范围内时，ＰＢＬ连接键对于脱空钢管混凝土短柱的极限承载力是削弱作用。１７００１６００五ｌ５００案蕙１４００１３００１２００脱空率／％图８脱空率对承载力的影响从图１０可以看出，无论ＰＢＬ连接键对于脱空钢管混凝土短柱极限承载力起增强还是削弱作用，在其荷载一位移曲线的下降段，增设ＰＢＬ连接键的脱空钢管混凝土短柱都会较未设ＰＢＬ的承载能力大，说明增设ＰＢＬ连接键的脱空钢管混凝土短柱在破坏阶段整体性较好。表５脱空钢管混凝土承载力对比脱空脱空承载力／ｋＮ序号高度／ｒａｍｉ茬／％钢管混凝土ＰＢＬ钢管混凝土增量１００ｌ６５６．５９２４０．６８１６３５．１２ｌ６５２．７５１７．６３３ｌＯ２．６５ｌ５８６．０７１５９３．２７７．２０４１８６．３０ｌ５０７．３６１４９２．７４—１４．６２５２８１１．９８ｌ３８２．５０１３７２．４９—１０．０ｌ６４０１９．９１ｌ２３８．３５１２４８．８２１０．４７铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣ丁『ＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１７（０３）（下转第４０页）３１万方数据・设计咨询・［４］［５］［６］［７］［８］张奉春．双线铁路超大跨度连续钢桁梁多点同步顶推施工技术研究［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１６（４）：１２．陈继忠，肖亚明．超大跨钢桁梁多点连续顶推有限元分—析与支架设计［Ｊ］．工程与建设，２０１１（２）：２７２２７４．周叶飞，董创文，张玉平，等．江东大桥顶推钢箱梁局—部受力分析［Ｊ］．中外公路，２０１０（１）：１２６１３０．李建军，刘冬冬，王铮．连续钢箱梁顶推施工局部受力—分析［Ｊ］．市政公用建设，２０１５（４）：６４６７．米凯华，欧阳运华．大型钢箱梁焊接工艺及变形控制（上接第３１页）—［Ｊ］．施工技术，２０１０（６）：５９６０．［９］徐德高，胡久宏，傅雁．压浆剂的制备及性能研究新型—［Ｊ］．建筑材料，２０１２（１１）：８０８１．［１０］唐坤尧．榕江特大桥连续钢桁梁悬拼施工临时支墩方—案探讨［Ｊ］．科技创新与生产力，２０１４（４）：９４９６．［１１］乔亚东．钢箱梁顶推施工钢板梁式钢导梁设计［Ｊ］．公—路交通科技，２０１１（３）：１３２１３６．［１２］赵廷衡．桥梁钢结构细部设计［Ｍ］．成都：西南交通大—学出版社，２０１１：２６６６．～１６％范围内时，ＰＢＬ连接键对于脱空钢管混凝土”位移佃［７］苏俊臣．钢管混凝土拱桥调查及其脱空问题研究［Ｄ］．—图１０钢管混凝土ＳＮ曲线对比成都：西南交通大学，２００９：ＩＩ一１３．５结论哺１型毳蠢蠹黼篙鑫鬈器嚣篙嵩，力（１）脱空钢管混凝土短柱受压破坏主要是向脱空［９］黄宏，郭晓宇，陈梦成，等圆钢管混凝土轴压短柱对比试验—侧弯曲且在脱空中部附近钢管凹曲或鼓曲；而设ＰＢＬ研究［Ｊ］．广西梢报：自然懒，２０１５（４）：８０６８１４．连接键的脱空钢管混凝土短柱受压，当脱空率较小时，［１０］中华人民共和国建设部・ＧＢ—５００１７２００３钢结构设向未设ＰＢＬ侧弯曲破坏；当脱空率较大时，向设ＰＢＬ—计规范［ｓ］・北京：中国计划出版社，２００３：２５２９・侧弯曲破坏，且钢管与ＰＢＬ连接部位出现波形变形。’［１１］中竺人导营和兽譬堡挈孳乡建设警ＧＢ．５竺１０一２０１０。（２）钢管混凝土脱空会降低其极限承载力及刚雾鼍慧景设芝规范［ｓ］・北京：中国建筑工业出版度，脱空率越大，极限承载力和刚度越小，且极限承［１２］芜ｊ、波．葫管混凝土轴心受压短柱试验及数值模拟研载力与脱空率之间存在一定的线形关系。—究［Ｄ］．长沙：湖南大学，２０１４：４１４３．（３）当钢管混凝土脱空率在０～４％或大于［１３］刘永健，刘君平，池建军．钢管混凝土界面抗剪粘结滑１６％范围内时，ＰＢＬ连接键对于脱空钢管混凝土短移力学性能试验［Ｊ］．广西大学学报：自然科学版，柱极限承载力起增强作用；而当脱空率大约在４％—２０１０（１）：１７２３．４０铁道建筑技术尺ＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳ丁开ＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１７∞ｆＪ万方数据