劲性骨架及钢管混凝土组合柱墩的受力机理浅析

2017-05-18符晓锋

四川水泥 2017年5期

关键词：劲性环向桥墩

符晓锋

(常州市交通规划设计院有限公司)

劲性骨架及钢管混凝土组合柱墩的受力机理浅析

符晓锋

(常州市交通规划设计院有限公司)

随着我国经济发展重点不断向西北部倾斜以及东南路网的日趋完善，近年来高速公路、省道的大规模建设都走向了西部地区，随之带来的桥梁建设事业也在西部蓬勃发展。我国西部地区的地形地貌复杂，有着山高、谷深、流急的特点，因此修造桥梁时往往出现高墩、超高墩桥，墩高超过50m十分常见，甚至有些大桥墩高超过100m。在高墩桥的设计、施工过程中，桥墩成为全桥的重点，无论是承载力、抗震、稳定性设计还是施工偏差控制都非常重要，直接影响到桥梁建成后的稳定性和极限承载力。

目前修建的桥墩还是以钢筋混凝土作为主要材料。钢筋混凝土桥墩往往只能以增大截面尺寸来使之具有足够的强度、刚度和稳定性，以保证桥梁结构的耐久性和正常使用。带来的问题一方面是设计的困难，另一方面则是施工的困难，同时材料的浪费和桥梁外观笨重等问题也是不可忽略的，与当下低碳环保、节能减排的新时代工程设计理念也是相违背的。因此我们亟需研究新的材料和结构形式，以解决高桥墩的设计和建造问题。

1. 劲性骨架及钢管混凝土组合柱墩的构思

劲性骨架混凝土高墩具有良好的抗弯能力，型钢骨架提高了桥墩的刚度和延性，对提高其竖向承载力和抗风、抗震均有帮助，且便于施工，已经运用在了一些特大桥上。但也有其局限性，劲性骨架结合箍筋的形式对混凝土的套箍作用不明显，无法充分发挥混凝土的抗压性能。在地震作用下无法对混凝土形成良好的约束以维持桥墩的整体刚度。

钢管混凝土墩则让混凝土处于三向受压状态，能大幅提高其承载能力，但对混凝土墩的抗弯性能提高不明显，因此在实际工程中很难采用大尺寸的钢管混凝土。施工上存在的较大困难局限了其使用范围，目前钢管混凝土更多使用在尺寸较小的柱结构中，在桥墩上罕有使用。

针对上述两种形式的墩的优点与不足，应研究一种新型的柱，加强外部混凝土的约束，不但能够提高承载力、延性等，同时能使内外部分很好的共同工作。基于此，本文研究了将两者结合的劲性骨架及钢管混凝土组合柱墩。

图1 劲性骨架及钢管混凝土组合柱墩的形式

这种结合形式可以充分发挥两种的优点，弥补各自的缺陷。核心采用钢管混凝土，既能利用钢管混凝土优秀的承压能力，又不必建造尺寸过大的钢管；外围采用劲性骨架混凝土包裹，能大幅提高墩的刚度和横向受力性能。

本文将结合劲性骨架混凝土墩和钢管混凝土墩的研究，着重讨论劲性骨架及钢管混凝土组合柱墩的受力机理。

2. 混凝土的套箍强化现象

经过试验研究表明，混凝土的变形和破坏与混凝土所处的受力状态有莫大关系。在单轴受压状态下，混凝土破坏时的最大压应变大约为0.2%，而当有侧向压力同时作用的时候，这一数值可有很大的提高，其抗压强度同时也有大幅的提高。此即混凝土的套箍强化。

混凝土在三轴压应力状态下，顺纵轴向的微裂缝的发生和发展会受到限制，从而延迟了裂缝的发展和新裂缝的发生。甚至对于一些已经发生的微裂缝还有闭合作用。混凝土的微裂缝的发生和发展就需要更高的压应力才能实现，同样微柱的失稳或折断也需要比单轴受压状态更高的应力。从不同侧压力p作用下的混凝土σ1-ε1曲线可以看出，随着p值的增大，不仅抗压强度fc增大，而且相应的极限压缩变形值也会随之增大。在侧压力不是非常高的情况下，混凝土的破坏面主要是粗骨料和水泥的接合面，但侧压力提高到一定程度后，混凝土微柱始终不会失稳，则混凝土的破坏将成为骨料的破坏。混凝土的粗骨料将在更高的轴向压力下在平行于主压应力的平面形成第二层次的微柱，最后因第二层次微柱失稳而导致混凝土破坏。

3. 劲性骨架及钢管混凝土组合柱墩的工作机理

借鉴劲性骨架和钢管混凝土的优点，将两者组合在一起，形成新型组合柱墩。这种新的组合结构的受力相对更为复杂，但基本的工作机理还是与混凝土的套箍强化分不开的。

分析劲性骨架及钢管混凝土的工作机理时需要把构件分为两部分，一部分是内部构件——钢管混凝土，二是外部构件——外包钢混凝土。认识劲性骨架及钢管混凝土工作机理的关键在于探明内部核心混凝土、钢管和外围劲性骨架混凝土三种材料的应力－应变关系特点，然后区分出各自不同的工作阶段，最终形成这种复杂的组合结构的受力特点。

在初始荷载阶段，外围的劲性骨架混凝土处于弹性阶段，承受轴向压力，内部的核心混凝土的横向变形系数小于钢管的泊松系数，混凝土与钢管之间不发生挤压，钢管如同普通钢筋一样，承受纵向压力，此时外围的劲性骨架混凝土与内部构件的横向变形系数基本相同，它们之间没有作用力。所以在这一阶段，核心混凝土、钢管和外围的劲性骨架混凝土共同承受纵向压力。

随着纵向应变的增加，外围的劲性骨架混凝土出现裂缝，内部混凝土发生微裂并不断发展，混凝土的侧向膨胀超过钢管的侧向膨胀，从此开始，钢管处于纵压－环拉的双向应力状态（径向压力较小，可以忽略），混凝土处于三向受压状态，外围劲性骨架混凝土除承受轴向压力外还承受一部分内部构件的鼓胀力。

在混凝土的泊松系数大于钢材后，混凝土与钢管壁之间出现径向压力，当双向受力的钢管还处于弹性阶段时劲性骨架－钢管混凝土外观体积变化不大，此时外围的劲性骨架混凝土已经出现微小裂缝。随着荷载的增加，钢管达到屈服而开始塑性变形后，劲性骨架－钢管混凝土的应变发展加快，外围的劲性骨架混凝土裂缝逐渐增多。按照Mises屈服条件的规律：

式中，σ1s为钢管纵向应力；σ2s为钢管环向应力；fy为钢管屈服强度。

随着钢管环向应力σ2s的不断增大，其纵应力σ1s则相应地不断减小，在钢管与核心混凝土之间产生纵向压力的重分布。一方面，钢管承受压力不断减小，另一方面，核心混凝土因受到钢管较大的环向约束而具有更高的抗压强度，钢管从主要承受纵向压应力转变为主要承受环向拉应力。最后，随着纵向应变的不断增加，外围的劲性骨架混凝土裂缝不断增多，濒临破坏。与此同时，组合构件整体也达到了极限承载力。紧接着外围的劲性骨架混凝土破坏、脱落，构件的内力进行重分布，由外围劲性骨架混凝土承担的压力传到内部的钢管混凝土上，内部的核心混凝土承受更大的压力，横向变形也随之增大，因此钢管的环向塑性变形急剧增加。构件环向内力进行重分布，钢管承担更大的环向拉力，环向变形增加很大。钢管所承担的纵向压力从初期的不断增大转变为后期的不断减小，钢管的作用从初期的主要为纵向受压发展成后期的主要为环向受拉。普通钢管混凝土与普通钢筋混凝土柱或劲性骨架混凝土柱相比较，钢管混凝土承载能力的增益正是发生在钢管屈服后的塑流阶段[64]，因钢管对核心混凝土的套箍效应而获得。钢管屈服并不意味着钢管混凝土已经丧失承载能力，在钢管屈服后的塑流过程中，在钢管和核心混凝土之间产生持续的内力重分布，核心混凝土的套箍强化才得到持续充分的发展，从而使劲性骨架—钢管混凝土的承载能力和变形能力得到明显提高。根据极限状态设计法关于承载能力极限状态的规定，一律以劲性骨架－钢管混凝土所能承受的“最大荷载”作为其“极限承载能力”。