钢管混凝土系杆拱桥拱脚裂缝产生机理研究进展_魏贤华.pdf

施工技术建 筑 技 术 开 发 81Construction TechnologyBuilding Technology Development第50卷第2期2023年2月钢管混凝土具有良好的力学性能，将钢材与混凝土的优势结合在一起，钢管对混凝土的束缚可以使混凝土具有更好的抗剪切性能，混凝土作为钢管的填充内容物，又能很好地提高截面的整体惯性矩，避免钢管发生失稳。而在施工阶段，钢管又能直接作为模板进行注浆，避免了拆模等复杂工序。钢管混凝土系杆拱桥内部结构超静定，外部结构静定，不需要施加的推力而在工程中被广泛应用，但由于拱肋压力、弯矩、系杆钢筋预应力、温差、热膨胀系数的不同、以及拱肋注浆时的巨大应力等多种因素的作用，常常会导致拱脚部位产生开裂。1 应力计算1.1 相关规范推荐公式2015年底，交通运输部发布并实施了JTG/T D65062015公路钢管混凝土拱桥设计规范，此规范规定了如何设计计算钢管混凝土拱桥及构件，其中主要内容包括：计算的基本规定、承载能力极限状态的计算方法、正常使用极限状态的计算方法以及施工过程计算；与此同时，此规范还规定了钢管混凝土拱桥的总体设计和构造要求；还对检修养护设施等附属构造、钢管的防腐构造与涂装等作出规定，以保证桥梁的耐久性；还列出了钢管混凝土徐变系数的计算、混凝土本构关系、构件应力计算和钢混凝土组合桥面板等内容。但并没有单独给出拱脚部位的承载力验钢管混凝土系杆拱桥拱脚裂缝产生机理研究进展魏贤华1，杨则英2，黄恩代1，蔡昌昊2，王成赫2（1.中国铁建港航局集团有限公司，广东珠海 519000；2.山东大学土建与水利学院，山东济南 250061）摘要 针对钢管混凝土系杆拱桥拱脚部位裂缝开展的机理研究，多是侧重于研究混凝土本身性质的影响。目前也无指导如何在系杆拱桥拱脚施工中避免裂缝产生的规范。在简明回顾系杆拱桥拱脚部位裂缝产生机理研究成果的基础上，指出了今后的研究方向，包括：利用有限元软件，分析拱脚的应力分布，找出应力最大的部位，对裂缝可能开展的部位进行预测；在现有规范中，拱桥的本构关系是将钢管混凝土一体考虑，忽略了钢材与混凝土热膨胀系数不同等客观因素，在拱脚部位应当找出一种新型的本构关系，区别于桥梁整体单独考虑；考虑太阳光照等因素造成的内部温差形成的温度应力，研究温度变化对裂缝开展产生的影响；从材料特性方面着手，研究混凝土收缩及徐变产生的影响。关键词 钢管混凝土系杆拱桥；拱脚裂缝；产生机理；研究进展；裂缝部位预测；新型本构关系；内部温差 中图分类号TU 74 文献标志码B 文章编号1001-523X（2023）02-0081-03RESEARCH PROGRESS ON MECHANISM OF ARCH FOOT CRACK IN CONCRETE FILLED STEEL TUBULAR TIED ARCH BRIDGEWei Xian-hua，Yang Ze-ying，Huang En-dai，Cai Chang-hao，Wang Cheng-he AbstractThe research on the mechanism of cracks mainly focuses on the influence of concrete properties.At present,there is no specification to guide how to avoid cracks in the construction of tied arch bridge arch foot.Based on a brief review of the research results on the mechanism of cracks in the arch foot of tied arch bridges,this paper points out the future research directions,including:using finite element software to analyze the stress distribution of the arch foot,find out the position where the stress is the largest,and predict the position where the cracks may develop.In the existing code,the constitutive relation of arch bridge is to consider the concrete filled steel tube as a whole,ignoring the objective factors such as different thermal expansion coefficients of steel and concrete.A new constitutive relation should be found at the arch foot,which is different from the single consideration of the whole bridge.Considering the temperature stress caused by internal temperature difference caused by solar illumination and other factors,the influence of temperature change on crack development is studied.Starting from the material characteristics,the influence of concrete shrinkage and creep is studied.Keywordsconcrete-filled steel tubular tied arch bridge;arch foot cracks;generation mechanism;research progress;fracture location prediction;new constitutive relation;internal temperature difference收稿日期：20230125作者简介：魏贤华（1978）男，山东郓城人，教授级高级工程师，主要研究方向为大跨径水中桥。施工技术建 筑 技 术 开 发82 Construction TechnologyBuilding Technology Development第50卷第2期2023年2月算。规范给出的主拱内力计算公式如式1，2所示：组合轴力：（1）组合弯矩：（2）式中：Ni为桁架主拱各主管轴向力设计值（kN）；Mi为桁式主拱各主管的弯矩设计值（kNm）；N为上弦主管轴力设计值之和与下弦主管轴力设计值之和的差值（kN）；N，i为桁式主拱各支管的轴向力设计值（kN）；h为桁式主拱的主管重心之间的距离（m）；为计算截面处主管与支管轴线间的夹角（）但在相关规范中，并未提及拱脚部位的应力计算，需要利用abaqus等有限元软件建模计算。1.2 有限元计算张文光研究了某两跨下承式刚架系杆拱桥，建立其桥墩的实体有限元模型，对其进行局部受力分析，分析其应力分布规律，计算结果可为类似结构的设计和计算提供参考。从变形的计算结果中得出，较大压应力主要出现在拱肋与拱脚的结合处，最大主压应力出现在钢结构与混凝土结合交界面处，最大主拉应力则出现在局部横梁支座处，认为应当给予考虑；受弯作用引起的等效应力最大值出现在受弯作用明显的拱肋下翼缘。张文光团队对下承式钢架系杆拱桥的整体受力特点分析较为完善，有助于对桥梁整体风险的控制。但其只分析单个因素，对温度等影响因素的研究尚未涉及，同时对于细部结构的研究也不够具体。史灼基于ANSYS有限元软件建立空间局部有限元模型，分析了采用简支槽型梁拱组合结构刚性系梁柔性拱的某铁路上跨高速公路节点拱脚。相较于张文光的研究，史灼选取纵向结构的1/4节段，横向结构1/2宽度对拱脚部位进行局部应力分析，结合桥梁整体模型得出了与张文光相似的结论，即拱脚顺桥向大范围主要承受压力，且主压应力仍然具有较大的安全储备；在拱脚位置钢筋混凝土结合处和刚度突变位置，更容易出现应力集中的现象。主拉应力在拱肋与主梁相接位置下缘处较为集中，应力流方向垂直于拱轴线；与拱肋传递的轴向力相比，垂直于拱轴线的剪力及弯矩作用效果更为明显。史灼的研究建立了局部模型，得到了更为精确的局部数据，验证了张文光由整体模型得出的结论。梁力和李艳凤根据圣维南原理，运用有限元软件MIDAS从总体杆系计算模型中，提取钢拱圈节段内力，通过虚拟梁和刚性面将提取节段内力加载到局部模型上，对拱脚节点部位进行局部空间有限元分析。计算结果得出的拱脚结点内部的应力绝对值都偏小，拱肋与拱脚结点连接处、预应力锚点处应力值较大，但上述应力值均在混凝土抗压强度设计值范围内。在拱肋与拱脚连接处周围出现的拉应力的小部分区域拉应力值超过了混凝土抗拉强度设计值，是混凝土实体的角点处。拱脚结点的应力状况以纵桥向受压为主，结点内部应力均匀分布，在拱肋与拱脚结点相接处和预应力锚点处容易出现应力集中现象。在施工过程中应注意刚度突变处及预应力锚点等应力集中区域施工质量，对局部钢筋网进行加强，以分散应力。梁力和李艳凤对拱脚部位的研究对指导实际生产施工有很大帮助，但忽略了温度的作用。研究得出一些共同点，其中最显著的一点即在钢结构与混凝土的连接交结面处容易出现应力集中的现象，在分析裂缝产生机理时，要注意这部分建模分析。1.3 加载试验田万俊在设计拉萨河特大桥拱脚并对其进行局部应力分析时，根据设计要求，将结构自重、活载、桥面二期恒载及预应力分别进行组合得出四种工况。分析了四种工况下中墩顶主梁和次主跨拱肋拱脚截面处产生的最大负弯矩，以及主跨上拱肋拱脚截面产生的最大轴力。田万俊利用三维电测和光弹性模型试验应力分析方法，对4种工况下的拱脚结构进行应力测试并绘制图像，得出较大的压应力出现在拱脚顶部。在不考虑预应力的情况下，拱脚顶部都产生了较大的拉应力，这说明施加预应力能够减少拱脚所受的拉应力。田万俊考虑预应力对于结构的影响，对于裂缝开展的控制有较大帮助。郑振飞等在分析深圳北站大桥拱墩固结点局部应力时，建立了有限元模型，根据不同的施工阶段和成桥工况，结合三维光弹性实验，分别进行空间有限元计算，分析拱墩固结点整体和局部的应力状态。得出由于桥墩整体受力不平衡，墩柱为受偏心压力，在某截面以上墩柱为全面受压，最小主应力方向基本为竖直方向。在荷载作用下，帽梁实腹段垂直方向普遍表现为压应力，在施加竖向预应力的区域出现压应力集中现象，最大值可达10MPa；在帽梁实腹段内顺桥方向均匀分布多为压应力的正应力，一般在4MPa以下。西引桥支座反力，尤其是帽梁空腹段的西引桥支座反力作用处，容易引起牛腿局部应力表现突出。由实验数据可得出该支座反力所造成局部的边界施工技术建 筑 技 术 开 发 83Construction TechnologyBuilding Technology Development第50卷第2期2023年2月和内部拉应力都远超过混凝土抗拉强度设计值，因此必须采取必要措施。郑振飞的研究找到了内部压应力远远超过混凝土抗拉强度设计值的部位，但对于拱脚部位没有深入探析。2 其他因素影响李冰在研究某下承式钢管混凝土系杆拱桥拱脚裂缝防治措施时，调查先前已建成钢管混凝土系杆拱桥拱脚裂缝，得出拱脚裂缝主要存在两个类型，一种为多呈网状分布的拱脚顶面裂缝；另一种为主要沿着管径分布并延伸到拱脚侧面的钢管混凝土交界面裂缝。拱脚顶面裂缝多为不规则的网状裂缝，主要是由混凝土收缩引起，与结构特点和施工工艺有关。拱脚顶面一般采用C50高标号混凝土，水泥含量大，水化热高。在构件浇筑成型后需