復(fù)合鋼管砼計(jì)算方法在橋梁中的應(yīng)用伍尚干陳春林伍佳玉吳清明1、前言我國(guó)鋼管砼的研究和應(yīng)用都已取得了很大的成果，鋼管和砼的相互組合應(yīng)用，可以克服砼的脆性和鋼管的穩(wěn)定問(wèn)題，能夠充分發(fā)揮兩種材料特點(diǎn)，園形鋼管的緊箍力還能提高砼的承載力，是一種很合理的材料使用方法。鋼管砼在施工過(guò)程中，能起到骨架、配筋和模板的作用，使結(jié)構(gòu)逐漸加強(qiáng)和形成，解決了大跨徑拱橋的施工困難，使拱橋施工變得簡(jiǎn)便安全，所以在拱橋中獲得較快的發(fā)展。但是鋼管砼的應(yīng)用也不夠完善，計(jì)算中還存在一些問(wèn)題，在使用中最突出的是鋼管的銹蝕，防護(hù)很麻煩，大直徑鋼管的用鋼量偏大，加工費(fèi)較高，桁架結(jié)點(diǎn)的焊接處理困難，造價(jià)偏高，影響了鋼管砼的競(jìng)爭(zhēng)與發(fā)展。2、復(fù)合鋼管砼復(fù)合的定義是指兩種或多種材料，按一定的規(guī)則組合成整體。采用型鋼作勁性骨架，然后外包鋼筋砼，稱作鋼骨砼。采用鋼管砼作勁性骨架，然后外包鋼筋砼，同理可稱作鋼管砼骨架砼，將鋼筋砼與鋼管砼的結(jié)合稱作復(fù)合(即組合或結(jié)合)鋼管砼，名稱簡(jiǎn)明直觀。這里所指的復(fù)合鋼管砼，是指主要以鋼管砼骨架受壓為主，承載力佔(zhàn)50%~70%左右的強(qiáng)勁性骨架，即所謂的剛性骨架。它能充分發(fā)揮鋼管砼的優(yōu)點(diǎn)，克服了它存在的缺點(diǎn)。外包的鋼筋砼加大了截面剛度，按構(gòu)造和內(nèi)力需要配筋，起到參與受力和防護(hù)的雙重作用。使鋼管的加工方便，聯(lián)結(jié)的加勁處理靈活方便，再立模板澆筑外包砼也簡(jiǎn)便，只相當(dāng)于加固和裝修工程?，F(xiàn)在鋼管砼拱橋的銹蝕防護(hù)，多以油漆為主，也有噴鋅、鋁和高分子涂料的。前者能保持3~5年時(shí)間，因受陽(yáng)光照曬的影響，褪色很快，影響美觀。后者能用25年時(shí)間，其價(jià)格很高。仍是砼的耐久性好,施工靈活方便，造價(jià)較合理。外包的鋼筋砼對(duì)鋼管砼勁性骨架可起到一定的隔熱作用，鋼比相同條件的砼溫度要高15oC以上，使勁性骨架受溫度的影響減弱，對(duì)勁性骨架的工作有利。鋼管砼拱橋受強(qiáng)度和穩(wěn)定的需要，多采用大直徑的鋼管，用鋼量偏大，造價(jià)也高。國(guó)內(nèi)第一座鋼管砼拱橋—四川旺蒼大橋，采用就地加工和焊接制造，是較經(jīng)濟(jì)合理的。故采用較小管徑的復(fù)合鋼管砼，可簡(jiǎn)化加工方法，再外包鋼筋砼形成所需的截面，按受力和構(gòu)造需要配筋，使結(jié)點(diǎn)處理方便，用鋼量較合理，是鋼管砼的合理應(yīng)用形式。現(xiàn)在鋼管砼僅用在單一的拱橋中，采用復(fù)合鋼管砼材料，可以在橋梁上得到廣泛的應(yīng)用。3、復(fù)合鋼管砼的發(fā)展復(fù)合鋼管砼的結(jié)構(gòu)形式，工程中已有應(yīng)用先例，拱橋中有用鋼管砼作骨架的鋼筋混凝土箱形拱，鋼管砼骨架起了重要的作用。但是，因?yàn)殇摴茼殴羌苓€比較弱，它的截面積與砼截面積相比較小，在截面的強(qiáng)度計(jì)算中，未考慮鋼管緊箍力所起的承載力作用，只按鋼筋混凝土截面作簡(jiǎn)化計(jì)算。另外一個(gè)原因是未搞清楚鋼管砼在鋼筋混凝土截面中的作用機(jī)理，還未建立起計(jì)算的方法，不便于計(jì)算。簡(jiǎn)化計(jì)算并非不可，但是探究清楚鋼管砼在鋼筋混凝土截面中的作用，也是完全需要的。鋼管砼骨架弱時(shí)剛度較小，施工加載的過(guò)程也不夠安全。而強(qiáng)的勁性骨架剛度較大，施工安全性好，充分發(fā)揮鋼管砼的主要承力作用，這就是復(fù)合鋼管砼所要提倡的。對(duì)于復(fù)合鋼管砼的截面，不計(jì)鋼管砼的特殊作用，顯然是不合理的，這是復(fù)合鋼管砼需要解決的問(wèn)題。實(shí)際上鋼管砼與鋼筋砼結(jié)合的復(fù)合鋼管砼，在橋梁和建筑中有成功的應(yīng)用，與加固工程所用的原理基本相同，效果良好。4、復(fù)合原理復(fù)合鋼管砼與鋼骨砼有相似的原理，鋼管的緊箍力比鋼骨砼的型鋼更優(yōu)越，它實(shí)質(zhì)上是一種特殊形式的鋼骨砼。鋼管作為骨架使用，它的特殊截面形式，對(duì)管內(nèi)砼的環(huán)向緊箍力作用，能發(fā)揮材料的塑性性能，提高鋼管砼的承載能力。鋼骨砼的特性已有成熟的研究，其規(guī)律可供復(fù)合鋼管砼借鑒。筆者在“鋼管砼短柱強(qiáng)度計(jì)算新探”一文中，已將鋼管砼的承載力，按材料強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)了分離計(jì)算，將其應(yīng)用在復(fù)合鋼管砼中，也能實(shí)現(xiàn)復(fù)合鋼管砼的鋼管、內(nèi)填砼、徑向荷載、外包鋼筋砼的分離計(jì)算，實(shí)現(xiàn)鋼管砼和鋼筋砼組合材料的內(nèi)力疊加計(jì)算。設(shè)計(jì)假定：①鋼管與外包砼之間結(jié)合良好，外包砼不能剝離，形成整體截面，兩者能夠協(xié)同工作。②受拉和受壓鋼筋、鋼管采用理想彈塑性的平面應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系。③鋼管內(nèi)填砼飽滿。④受拉區(qū)的砼不參加工作。⑤鋼管砼受彎矩作用時(shí)，對(duì)應(yīng)縱向應(yīng)變?yōu)殇摴芗绊诺氖芰顟B(tài)與鋼管砼的軸心受力時(shí)相同，縱向應(yīng)變的鋼管及砼的受力狀態(tài)相同。⑥鋼管砼作為勁性骨架，應(yīng)能承受主要的施工荷載，先發(fā)生較大的初始?jí)嚎s變形。為了保證截面的整體性，外包砼的標(biāo)號(hào)應(yīng)用得較高，以便具有較強(qiáng)的粘結(jié)力。除受力鋼筋以外，要加強(qiáng)箍筋和在鋼管上焊接錨固鋼筋，避免發(fā)生剝離破壞。外包砼的厚度不能太薄，砼太薄會(huì)影響粘結(jié)力的發(fā)揮，也要影響砼的澆筑操作。燈5、培內(nèi)力疊加法艇實(shí)漸踐證明鋼骨何和鋼管砼的枯外包砼能夠勞結(jié)合為整體免，構(gòu)件截面暗的應(yīng)變復(fù)合片平面的假定黎。采用加強(qiáng)糞箍筋、錨固絲鋼筋和較高娛標(biāo)號(hào)的砼，誘就能加強(qiáng)截?cái)∶娴恼w作禿用。鋼管砼謝在鋼管的彈絮塑性變形階各段，有明顯歸的應(yīng)力調(diào)整亮現(xiàn)象。由于隊(duì)砼的收縮和慰徐變，復(fù)合徹鋼管砼截面敏的應(yīng)力重分挖布是非常明稱顯的。前期中的施工加載枯在截面中有包明顯的應(yīng)力野疊加現(xiàn)象，召后期加載和出使用期間，通就呈現(xiàn)出內(nèi)刪力疊加現(xiàn)象次。應(yīng)力疊加卷是出現(xiàn)在彈蔥性階段，施皇工加栽階段邪可以用應(yīng)力須疊加作計(jì)算氧，便于配合止測(cè)試和用應(yīng)甘力值來(lái)控制乳結(jié)構(gòu)的安全悠狀態(tài)。極限娛狀態(tài)法已考羽慮了材料的歇塑性作用，洪故內(nèi)力疊加帶是出現(xiàn)在彈虎塑性階段，塔應(yīng)該采用極隨限狀態(tài)法作大計(jì)算。所以微，鋼骨砼就干采用簡(jiǎn)單內(nèi)同力疊加法來(lái)氣計(jì)算，復(fù)合蹤鋼管砼也可乖以采用簡(jiǎn)單散內(nèi)力疊加法峽來(lái)計(jì)算。工龍程中的結(jié)構(gòu)匹加固，達(dá)到址使結(jié)構(gòu)內(nèi)力憤發(fā)生調(diào)整和軟加固的目的慚，即是內(nèi)力來(lái)疊加原理的廚應(yīng)用。由塑啟性理論下限如定理可知，寨對(duì)于滿足平游衡條件的，音由任意軸力增分配所確定薯的各部分受治彎承載力之逮和中，真實(shí)沫的極限承載壁力為最大值程。根據(jù)這一賽理論，采用各疊加方法計(jì)盜算的結(jié)果，披總是偏于安聰全的。內(nèi)力藝調(diào)整的中間天過(guò)程是復(fù)雜誕的，只要注宅意勁性骨架布的強(qiáng)度和穩(wěn)輔定，能夠保旦證施工安全事，可不考慮西應(yīng)力調(diào)整的激中間變化過(guò)什程，只以最晶大的極限承映載力作控制旦。海內(nèi)力疊加理艘論的計(jì)算公降式：鋼管砼他短柱承載力嘴No=As冬F(xiàn)s+A幼cfst/干rc+Ac芹Fc哥=N寒st軋+N肯sc拳+N浩nc拳擇笑嗎基本形式：親N柏≤翼N念st綿+N晉sc隊(duì)+N漁nc閑+N鐮wc干（鋼管、鋼欲管緊箍力、答鋼管內(nèi)填砼曲、外包鋼筋旗砼）滔季消M坡≤遙Mtc+小M黨wc抵幅（鋼管砼、佛鋼筋砼）屬植正禁銅糾挖鎮(zhèn)美決香戲親織守括科按加載受力宏情況分為：跌當(dāng)N鐮≤鋸N趕st跨為姥鋼管砼受拉搭時(shí)快{膝擋N繭=N拴st攀鋼管承受拉慎力，M剃≤蕉M柴st穿鋼管砼承受兩彎矩買}占；蛙當(dāng)N惹≤摟N擴(kuò)st籠+N餓sc錯(cuò)+N肯nc御為瑞鋼管砼勁性蜂骨架加載濟(jì)時(shí)截{圣N都=壇N敢st揮+N控sc媽+N局nc回，落獻(xiàn)M院≤尖Mst蜻鋼管砼承受頁(yè)軸壓力和彎興矩扛}遭；陵當(dāng)N沉≤翼N粱st悶肯+才N失sc始+N限nc+沉N釘wc憤為即復(fù)合鋼管砼撲加載磁時(shí)棟{燕N=N胡st局+礦N個(gè)sc遍況+盯N回nc災(zāi)+N扯wc仇，M邀≤鍋Mtc陪+M泊wc公鋼管砼和外史包鋼筋砼承優(yōu)受軸壓力和梅彎矩君}也；汽④述碑當(dāng)N嫩≤壇N霉tc誦+徑N膚wc丟，為扶復(fù)合鋼管砼棵加載受拉仔時(shí)，M期<窗M兇wc態(tài)時(shí)昨{線N發(fā)=暖N味st疼+N好wc首鋼管和鋼筋座承受拉力，溉M=M壘wc寧鋼筋砼承受撓彎矩后}仿。環(huán)式中：忌N江、下M如—傻為計(jì)算的受此壓軸力和彎蹤矩設(shè)計(jì)值；鞏N花st按—昌為鋼管部分術(shù)的軸心受壓狀承栽力；脂熔掀N社nc李—蠻為鋼管內(nèi)填繭充砼部分的恰受壓承載力捐；N么sc容—菊為鋼管內(nèi)填熊砼的緊箍力產(chǎn)提高強(qiáng)度部英分的軸心受畫壓承載力；吹Nst葛，M拐st去—尾為鋼管砼茅(桃勁性骨架陜)鋸部分的軸心久受壓和受彎鴿承載力；N計(jì)wc丸—醋為外包鋼筋躲砼大、小偏陣心受壓界限貢破壞時(shí)的軸予心受壓承載辰力；M與wc前—涌為鋼筋砼大環(huán)、小偏心受院壓界限破壞腐時(shí)的受彎承透栽力；N座st搜—參為鋼管的軸由心受拉承載煌力；N礙wc亡—匠為外包鋼筋次砼的軸心受板拉承載力。院洋6、村內(nèi)力疊加的酬特點(diǎn)側(cè)在以上計(jì)算折中的參數(shù)，元鋼管砼部分若按鋼管砼的僻內(nèi)力疊加法嚼計(jì)算，外包元鋼筋砼部分眼按鋼筋砼的兼規(guī)程計(jì)算。獸在計(jì)算外包根鋼筋砼部分聯(lián)的承載力時(shí)煤，如果按內(nèi)啊園外方的截哄面來(lái)計(jì)算，爬是很麻煩的跳，可以偏安活全的將內(nèi)園閥外方的截面母簡(jiǎn)化為箱形心截面，按工陵字形截面計(jì)江算，見(jiàn)圖（沾一）。春公式的計(jì)算還結(jié)果是安全迅的。實(shí)際在敲施工過(guò)程中搭，首先是充耽分發(fā)揮鋼管襯砼勁性骨架做的作用，然農(nóng)后才是外包根鋼筋砼發(fā)揮贊作用，并發(fā)即生應(yīng)力調(diào)整責(zé)。鋼管砼勁貫性骨架的截綠面較小，剛虹度較小，彎歲矩較小，要式按鋼管砼長(zhǎng)抖柱計(jì)算，以畝驗(yàn)算骨架階單段的安全。進(jìn)鋼管砼骨架擠的彈性模量共較大，承載衫能力強(qiáng)，承姑受主要荷載面，先要發(fā)生遷較大的初始子變形，以后慕才是和外包瓦鋼筋砼共同寨承力，能使柜二者的變形鄭比較協(xié)調(diào)一蓋致。為了發(fā)姿揮復(fù)合材料撐的優(yōu)點(diǎn)，鋼亮管砼與外包冊(cè)鋼筋砼的截姨面疊合比值膝不宜過(guò)小，前一般應(yīng)大于須0.選30。將一幸期軸力單獨(dú)袋施加到鋼管遮砼骨架上，陶剩余軸力由汽鋼筋砼來(lái)分劑擔(dān)，就降低罪了鋼筋砼部凳分的軸壓比噴。由鋼管砼王承擔(dān)大部分頑軸力，可以爭(zhēng)提高鋼管砼婚骨架的軸壓師比，充分發(fā)革揮鋼管砼勁榆性骨架的作有用，保證鋼受管砼骨架產(chǎn)曠生較大的初副始?jí)簯?yīng)變。歸若鋼管砼未際加初始?jí)簯?yīng)女變，而與外串包鋼筋砼同必時(shí)加載，將丹導(dǎo)致外包鋼照筋砼先局部車剝離破壞，書也不符合鋼女管砼作勁性靈骨架施工的額實(shí)際受力情乳況。在壓彎馳構(gòu)件中，復(fù)妥合鋼管砼的碌應(yīng)力調(diào)整，宋是在外包鋼慮筋砼以后，恰截面剛度加傭大，外包鋼積筋砼參加受遼力，鋼管砼縣軸力的增加尚會(huì)減小。鋼煙筋砼的軸力絮和彎矩達(dá)到鹽最大以后，番軸力會(huì)開始說(shuō)減小，鋼管延砼的軸力會(huì)捏增大。外包皂鋼筋砼的收貸縮和徐變，微是卸載的原救因和應(yīng)力調(diào)轎整的條件，樣也是不同材聲料相互之間腸的互補(bǔ)性和然軸向力的轉(zhuǎn)悔移傳遞秒,訂見(jiàn)圖（二）升。霸當(dāng)外包鋼筋剩砼發(fā)揮作用劫時(shí)，鋼管砼逢的軸力增加冊(cè)將變得緩慢燈，最終才達(dá)進(jìn)到最大，故制鋼管砼的承逐載力應(yīng)當(dāng)留麗有安全余地援。為了配合形鋼管砼和外裹包鋼筋砼的貼應(yīng)力調(diào)整變賓化，外包鋼簽筋砼施工的商時(shí)間，應(yīng)按靈施工方便和銜加載程序要擠求而定。內(nèi)僻力調(diào)整是應(yīng)見(jiàn)力的變化過(guò)另程，是普遍附存在的現(xiàn)象屠，是內(nèi)力疊點(diǎn)加公式建立知的基礎(chǔ)。由雕于鋼管砼的英初始?jí)簯?yīng)變探較大，在壓地彎狀態(tài)中軸診力重分配的父幅度會(huì)更大婦一些。所以尿，復(fù)合鋼管須砼是有一定遠(yuǎn)規(guī)則的，既西要充分發(fā)揮舍勁性骨架的膝作用，又應(yīng)墻保留較大的攜安全余地，教以保證施工似安全。7、算例：韻（1）鋼管室砼骨架：見(jiàn)聯(lián)圖（三）。腹按《烤鋼管砼短柱目強(qiáng)度計(jì)算新協(xié)探》方法計(jì)嘩算。彩泰廈噸猛逐令16Mn傻鋼管姜?慌550x1妥0策鋼管內(nèi)半徑裙rc=26抵5mm變電鋼管壁厚吳t=10m砍m盟鋼管面積A疲s=169口.野6就cm福2湯牛飯且掃供鋼管設(shè)計(jì)強(qiáng)妄度喜fs=31膛5mpa匙C50勝汗顏粱砼否Ac=22弓06.2c嫩m渠2昨慧傳砼設(shè)計(jì)強(qiáng)度涼fc=23彩.5mpa馳裳典軸向壓力季N干1相=2899戲4KN理魂純壯彎距簡(jiǎn)M昌1來(lái)=870K支N.m看嶼餡偏心距矮eO=0.遼03m幻腿懂掀脹貨學(xué)綁匙犧黑勾暢旺采也這席鋼瞇管砼短柱承和載力：翼No=As暫Fs+Ac鈔Fc+Ac餐fst/r貼c=(16礎(chǔ)9.6x3指15+22良06.2x嚼23.5+孝2206.魂2x315疼x10/2前65)x1燈0援ˉ林1虎=131配49KN乖肆恢塘隱計(jì)算長(zhǎng)度段LO=0.跨5L=0.削5X400嚼=200c光m尚奴拉LO/D子=200/僑55=2.蹤463明<專4啟縱向彎曲添系數(shù)壇φl(shuí)=1踩中偏心距系數(shù)敏eO/r圈=30/2竄65=0.袋113答<往1.55滲撿考慮偏心影搞響的承載力銀系數(shù)煤φ鼓e=1/(店1+1.8酬5eO/撈r)=1/矮(1+1.不85x0.燕113/2特65)=求0柔.紙827她米鋼管砼承載釀力幫Ntc=3應(yīng)φl(shuí)組φ回eNO=3左x1x屑0較.論827登x1314楊9=3漏2623愁KN醬>滑=N身1載=2899就4KN.M來(lái)施加載軸壓比獲N1/屢Ntc昌=289囑94/郵3彈2623=有0.轉(zhuǎn)89霞婆殖哲躺(2)移外包鋼筋混段凝土：見(jiàn)圖壇（四）。駛敬續(xù)三傾降刊婦榮塵亡額遣糕癥灰按《公路鋼輛筋混凝土及蔑預(yù)應(yīng)力混凝檔土設(shè)計(jì)規(guī)范葉》（墨JTJ憑023劇—暑85歪）計(jì)算。殺軸向力蛋N老2脊=112雁59KN僚彎距促M(fèi)恒2絨=920膏KN.m久概Ⅱ緣級(jí)鋼筋惑C50受鋼筋強(qiáng)棋度顫Rg=澆伶Rg′=3嗽40mpa模麥砼強(qiáng)度Ra霜=雁28.5m框pa蛋攜豆22然Ф沉14列蘭Ag=終Ag′厲=33.9造cm寸2霜偏心距穴eO=暗920/1蔥1259=霸8cm佩叢e傘=5紫4聚cm演卻e情′娛=3壺8飼cm董忠長(zhǎng)RabX(芬e-h+X袍/2)+R撕a(bj-懂b)hj僚′商(e-h溝o+hj獵′級(jí)=σgAg仔e+Rg撈′抖Ag魯′倡e印′瞞σg=60碗0(0.9光ho/x盈-1)縮28.5x丸220X(鉤8-9要6縮+X/2)版+28.5局x(220運(yùn)-55)x死22.5x礦(8-9夾6廳+22.5浙/2)=6堆00x(0文.9x9偶6恢/X-1)羊X33.9愉x5寒4厲+340X熄33.9X隔3休8瓦拐巾X3–0.高028X2擋–柜2201礙.6X-3盾0271=隔0襪X=52.剛7cm惜g=600神x(0.9購(gòu)x96/5吼52σ.7段-1)=3弟83mpa衡研書證取汪σg=3暗40飛mpa肚Nwc良=尖(rb/r敞c)[Ra拜bX+Ra憂(bj趕′城-b)hj虛′元]+(rb效/rs)聯(lián)(榆R院g悄A列g(shù)′省-嶄σgAg凈)=山(0.95勿/1.25梨)x[28肆.5x55購(gòu)x52.7能+28.5僻x藏澆父(220-史55)x2樂(lè)2.5]x隙10ˉ1+顛(0.95板/1.25報(bào))x(34覆0x33.灣9-34冤0x33.捉9)x10佩ˉ1=13獲832K素N瘦>話N梳1仗=112效59KN窄Mwc幅=況(囑rb爸/期r川c)[必RabX潔(戲h租O-輝X/2把)+除R獲a(怎bj陣′擋-監(jiān)b靠)挑hj轎′脆(紡h躁o-蜘hj響′枯/純2帖)]+(r忙b呆/rs)(謹(jǐn)R勁g′洋A丑g′爽(秘h而o-拴a壘g′)殼鍵啞檢=稼(0.95罷/1.25命)x[28厲.5x55形x52.7異x(96-眨52.7/屑2)+28茄.5x(2副20-55陰)x22.蒸5x(96邀-22.5捆/2)]x哀10ˉ3+拋(0.95盞/1.25茂)x(34怕0x33.能9x(96純-4)x1密0ˉ3=1羨1581辣KN.m浩>爽M2=飽920KN暮.姑(3)始內(nèi)力疊加法魚：好焰霜狼∑遼=N1+N田2=289繳94+11界259=4進(jìn)0253誠(chéng)KN菌<強(qiáng)Ntc緊+N董wc沒(méi)=屢3乳2623+艘13832描=4645源5筍KN漠渣燦德破嶺休∑傘M=M1+洪M2=87為0+920豪=1790然KN.m少<手室Mwc=晚11581按KN.m帖本算例為較藍(lán)強(qiáng)的勁性鋼側(cè)管砼骨架，址計(jì)算鋼筋砼淡時(shí)配筋較弱釘，鋼筋砼的俘強(qiáng)度將先達(dá)躺到最大，因貸為鋼管砼骨騙架的承載力惹還留有安全午余地，即加督強(qiáng)主要材料翅的原則。如胸果是較弱勁炒性鋼管砼骨灶架，鋼管砼恰骨架的承載茂力將達(dá)到最怨大，而鋼筋筍砼應(yīng)該加強(qiáng)火配筋，使鋼洗筋砼中留有通較大的安全扒余地，這也斜是加強(qiáng)主要國(guó)材料的原則叉。所以，這到是強(qiáng)、弱勁籮性鋼管砼骨劃架在復(fù)合鋼諷管砼計(jì)算中兆的區(qū)別和特戚點(diǎn)，本文也干解決了弱勁靈性鋼管砼骨噴架在復(fù)合鋼規(guī)管砼中計(jì)算雞的方法問(wèn)題驗(yàn)。因此，勿拉論骨架