摘要：本文根據(jù)杭州錢塘江四橋85m 跨徑的鋼管混凝土拱橋的截面形式，對設(shè)置縱肋后的普通圓鋼管混凝土小偏心受壓構(gòu)件進行系統(tǒng)分析，研究的主要參數(shù)是縱肋數(shù)量、縱肋高度以及縱肋厚度。通過采用有限元軟件ANSYS 計算分析得出，普通圓鋼管混凝土設(shè)置縱肋后，其偏壓承載力能提高10%～15%，偏壓承載力提高值受縱肋與鋼管壁面積比影響，比值越大，偏壓承載力提高越多，但是縱肋部份的鋼材強度越不能充分發(fā)揮，統(tǒng)計分析結(jié)果顯示縱肋與鋼管壁面積比在0.5690 以下比較好。縱肋作為加強鋼管剛度的部件，設(shè)置縱肋后提高的承載力作為安全儲備是正確合適。
關(guān)鍵詞：鋼管混凝土；ANSYS；有限元；帶肋截面；承載力
1．引言
鋼管混凝土拱橋以其跨躍能力大、適應(yīng)能力強、承載能力大、施工快捷、地基適應(yīng)能力強、造型優(yōu)美等優(yōu)點而在短短十幾年的時間里得到飛速發(fā)展，使得對鋼管混凝土的研究也越來越深入和廣泛。在大直徑鋼管混凝土拱橋中，由于管徑過導(dǎo)致在混凝土澆筑后但未形成強度前或在工程投入使用后產(chǎn)生局部屈曲，在工程中應(yīng)盡量采取合理的構(gòu)造措施，如杭州錢塘江四橋在鋼管內(nèi)設(shè)置6條高250mm厚22mm的縱肋。隨著鋼管混凝土拱橋跨徑地增大，鋼管的尺寸也在增大，需要設(shè)置的縱肋的數(shù)量和尺寸就需要相應(yīng)地變化。由于帶肋鋼管混凝土截面是橋梁工程中一種新型截面形式，為此有必要根據(jù)鋼管混凝土拱橋的受力特點對帶肋鋼管混凝土拱肋截面形式進行研究。
鋼管混凝土拱橋的拱肋在建造及使用過程受到的作用是軸力和彎矩聯(lián)合作用的偏心受壓。在工程上應(yīng)用較多的則是根據(jù)《JTJ022—85》[1]和《JTJ023—85》[2]對鋼管混凝土拱橋進行正截面強度驗算和穩(wěn)定驗算。強度驗算時考慮偏心距對縱向壓力的影響，并對偏心距進限制；穩(wěn)定驗算時，將肋拱擬合成一根等效長度的簡支壓桿，然后應(yīng)用截面塑性破壞的彎矩、軸力相關(guān)曲線計算其失穩(wěn)極限荷載的近似計算方法。因此本文主要對帶肋圓鋼管混凝土短柱小偏心受壓時的受力狀況進行分析。
由于受試驗條件和規(guī)模的限制，不可能通過試驗對各種情況進行分析，而且進行物理試驗周期長、成本高，試驗數(shù)據(jù)的積累將是一個漫長的過程;另一方面隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，一些結(jié)構(gòu)有限元分析軟件日趨成熟，計算精度日趨提高，隨著有限元數(shù)值分析方法及電子計算機應(yīng)用技術(shù)的進步，人們已經(jīng)可以對結(jié)構(gòu)作出比較精確的彈塑性分析，對結(jié)構(gòu)試驗進行計算機模擬。鑒于上述原因，本文主要采用有限元軟件ANSYS進行數(shù)值試驗。
本文分析研究了縱肋數(shù)量、縱肋厚度、縱肋高度等對帶肋鋼管混凝土截面承載力的影響規(guī)律。
2．建模及求解
在有限元建模過程中，在明確了需要研究的各參數(shù)之后還需要確定所用材料的本構(gòu)關(guān)系以及模型各部份所用的單元形式和相應(yīng)的參數(shù)。在有限元求解過程中需要設(shè)置收斂標(biāo)準(zhǔn)、加載方式、荷載步等求解選項。
本文建模時采用的原型截面尺寸為鋼管外直徑1700mm，鋼管壁厚22mm，縱肋數(shù)量12條，縱肋高度為50mm，縱肋厚度22mm，混凝土強度等級為C50，偏心距為150mm，由于工程常使用Q345，故鋼材型號不作為試驗參數(shù)。當(dāng)研究其中某一參數(shù)時，僅該參數(shù)做相應(yīng)的變化，其他尺寸保持為原型截面尺寸。各參數(shù)變化值見表1～表6。
ANSYS 程序中分析鋼材的彈塑性問題采用的Von-Mises 屈服準(zhǔn)則[3],鋼材的本構(gòu)關(guān)系在本文中采用五段式鋼材本構(gòu)關(guān)系[4]。鋼管采用八節(jié)點實體單元Solid45 單元模擬，鋼管的彈性屬性選擇各向同性材料，彈性模量按照規(guī)范給定的取值2.0X105MPa，泊松比取0.283?；炷羻卧捎冒斯?jié)點實體單元Solid65 單元模擬。
混凝土的破壞準(zhǔn)則采用在ANSYS 程序中默認(rèn)的混凝土破壞準(zhǔn)則——William-Warnke 破壞準(zhǔn)則[5]，本構(gòu)關(guān)系采用普通圓鋼管混凝土的約束混凝土本構(gòu)關(guān)系[6]?；炷恋膹椥阅Ａ?，單軸抗壓強度和單軸抗拉強度按我國《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》確定，泊松比根據(jù)韓林海提出
在分析時關(guān)閉混凝土的壓碎功能。為了便于解決迭代的收斂問題，開口裂縫剪力傳遞系數(shù)取為0.35，閉口裂縫剪力傳遞系數(shù)取為0.9 較為合理。
對于鋼材的單元劃分，縱肋沿高度方向劃分為2 個單元，厚度方向為1 個單元；鋼管壁在被縱肋分割的區(qū)間內(nèi)沿周長方向劃分為2 個單元（6 片縱肋的為3 個單元），厚度方劃為1個單元，在縱肋與鋼管焊接的部份確定為1 個單元，所有材料屬性為鋼材的部分均采用映射劃分。
對于混凝土部分的單元劃分，從鋼管內(nèi)壁向圓心方向被縱肋所分隔的部分，其單元劃分與對應(yīng)的鋼材部分的單元劃分相同，而未被縱肋分隔的中心混凝土采用自由劃分，整個試件沿軸向劃分為30個單元。
3．實驗及結(jié)果分析
增加縱肋數(shù)量而使截面的鋼材用量增加，并且由于縱肋數(shù)量的增加，改變了原有縱肋的分布形式，縱肋間距減小，通過表4 反映出，試件的偏壓承載力在不斷地提高。
從表5 中可以看出，當(dāng)縱肋數(shù)量在變化時，縱肋與鋼管壁面積之比也在不斷變化之中，帶肋鋼管混凝土相對于普通圓鋼管混凝土的偏壓承載力增加值與普通圓空鋼管的偏壓承載力的比值均小于縱肋與鋼管壁面積比值0.15～0.17，縱肋部份的鋼材的承載力損耗比較大。通過改變縱肋數(shù)量而改變縱肋與鋼管壁面積比值的方法對縱肋部份鋼材承載力的損耗影響改變并不大。
根據(jù)表6 不同高度縱肋試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果可以得出：縱肋高度數(shù)值越大，其偏壓承載力越高。
從表7 可以發(fā)現(xiàn)，縱肋高度大于250mm 時，縱肋與鋼管面積之比大于0.5690，普通圓鋼管混凝土設(shè)置縱肋后其偏壓承載力增加量僅相當(dāng)同型號尺寸空鋼管偏壓承載力0.4753，縱肋部份鋼材的強度作用未能充分發(fā)揮，有超過20%的損耗。而當(dāng)縱肋高度不大于250mm 時，只有不超過15%的損耗，且縱肋高度越小，其損耗越小。
根據(jù)試驗結(jié)果可知，改變縱肋厚度對于試件偏壓承載力的改變是比較大。從表8 中可以看出，偏壓承載力增加最多的是縱肋厚度從18mm 增加至22mm 時，當(dāng)厚度大于22mm 時，偏壓承載力增加的幅度有降低的趨勢。
從表9 中可以知道，只有在縱肋與鋼管壁面積之比為0.5690，縱肋厚為22mm 時，其縱肋部份鋼材的強度承載力損耗是最少是，僅為15%；當(dāng)縱肋與鋼管壁面積之比小于0.5690時，其承載力損耗在20%左右；當(dāng)縱肋與鋼管壁面積之比大于0.5690 時，其承載力損耗逐漸增大，當(dāng)縱肋與鋼管壁面積之比達(dá)到0.9 時，其承載力損耗達(dá)到30%，損耗非常大。由于可知，通過增加縱肋厚度的方法增加縱肋與鋼管壁的面積比從而達(dá)到增加偏壓承載力的途徑是非常不可取的。
4．總結(jié)
綜合所有結(jié)果分析可以知道，普通圓鋼管混凝土在設(shè)置縱肋后，其偏壓承載力都有少許提高?？v肋與鋼管壁的面積比越高其承載力越高，但是其縱肋部份的鋼材強度越不能充分發(fā)揮，縱肋與鋼管壁的面積比應(yīng)控制在0.5690 以下。縱肋數(shù)量變化時，其縱肋部份承載力損耗都在15%左右；由于是小偏壓，縱肋高度變化時的縱肋部份承載力損耗要小于縱肋厚度變化時的情況，但要大于縱肋數(shù)量變化時的情況。由于設(shè)置縱肋后對偏壓承載力提高不多，且縱肋與鋼管壁的面積比控制在0.5690 以下時，其縱肋部份鋼材強度承載力損耗不多，所以將縱肋用作提高鋼管的剛度，并把這部份的承載力提高作為安全儲備是合適。
參考文獻(xiàn)
[1] JTJ022—85,公路磚石及混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范［S］.北京:交通部,1985.
[2] JTJ023—85.公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范［S］.北京:交通部,1985.
[3]Comite Euro-International du Beton. Bulletin D' information N0.213/214 CEB-FIP Model code 1990 (Concrete Structures).Lausanne, May 1993.
[4]徐興,程曉東,凌道盛.鋼管混凝土軸心受壓構(gòu)件極限承載力的有限元分析.固體力學(xué)學(xué)報,2002.12, 23(4):419—424.
[5]江見鯨,陸新征,葉列平.混凝土結(jié)構(gòu)有限元分析［M］.北京:清華大學(xué)出版社,2005.7.
[6]韓林海. 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)［M］. 科學(xué)出版社,1994.
[7]徐鶴山,ANSYS 在建筑工程中的應(yīng)用［M］.北京:機械工業(yè)出版社,2005. 8.
