钢管混凝土柱在桥梁工程设计中的应用分析_孙焱焱.pdf

运输经理世界隧道与桥梁工程0引言钢管混凝土柱（Concrete-Filled Steel Tube Col-umn，简称 CFSTC）是指在钢管柱中填充混凝土而成的结构构件，在外荷载作用下，钢管及其核心混凝土能够共同受力。相较传统的现浇钢筋混凝土柱，一方面，钢管混凝土柱在外荷载相同的情况下减小了构件的截面尺寸，降低了构件自重。另一方面，钢管混凝土柱无需混凝土外模，提高了施工效率，减少了环境污染。近些年来该技术在桥梁工程实践应用中越来越普及，受到国内外诸多学者和工程技术人员广泛关注。1钢管混凝土桥柱特点钢管混凝土桥柱在轴向荷载过程中，钢管管壁的泊松比由初始的 0.3 增加至 0.5，其后就基本保持不变；但是，核心区混凝土的泊松比由初始的 0.2 增加至0.5，且随后仍将继续增大，那么，在持载过程或在正常工况下，当钢管的泊松比小于核心区混凝土时，钢管横向变形小而混凝土横向变形大，钢管管壁将“约束”核心混凝土的横向变形，此现象即“套箍作用”，从而使核心混凝土处于三向受压状态。所以，钢管混凝土桥柱能够提高混凝土的抗压能力，管壁延缓了混凝土内部纵向微裂缝产生和发展的时间，增强了核心混凝土抵抗变形的能力。此外，由于管内混凝土限制钢管向内压屈变形，起到一定的支撑作用，延迟或者限制管壁局部屈曲的发展，增强了钢管管壁在轴向压力作用下的稳定性。钢管管壁和核心混凝土既能充分发挥各自的优点，又将各自的缺点彼此弥补，在现有的桥梁工程中逐步取代了传统的钢筋混凝土柱。1.1 钢管混凝土桥柱的优点1.1.1承载力高大量桥梁工程实践表明，普通混凝土柱在竖向荷载作用下，混凝土保护层易脱落，箍筋外鼓，承载力明显弱于钢管混凝土柱。诸多学者证实1，在混凝土用量和钢材用量恒定条件下，钢管混凝土柱的承载力是普通钢筋混凝土柱的 1.21.5 倍。尤其当使用高性能混凝土或 UHPC 时，钢管混凝土柱在承载力方面相较普通混凝土柱优势甚为明显。1.1.2塑性韧性好已有研究资料表明，钢管混凝土柱在轴向力作用下，其应力应变曲线达到最大承载力后会进入平台期，这就意味着在此阶段，钢管混凝土柱在保证其承载力的前提下能够发生较大的塑性变形，表现出良好的变形能力。同时，在低周反复加载作用下，钢管混凝土桥柱的滞回曲线饱满，耗能能力强；在冲击力作用下，钢管混凝土柱发生较大变形后，依然具有一定的承载能力。1.1.3制作和施工方便首先，混凝土的浇筑更为方便，特别是采用泵送混凝土、高位抛落免振捣混凝土和自密实混凝土等施工工艺，可加速混凝土的施工进度。其次，采用钢管混凝土柱无需绑扎钢筋、支模、拆模等施工工序。再次，钢管构件自重轻盈，钢管的运输与桥梁工程现场吊装、安装快捷、方便，作业难度低且工作量少。最后，钢管混凝土柱可实现构件标准化设计生产，符合现代桥梁施工技术工业化的要求，加快施工速度，缩短工期。1.1.4耐火性能好在道路桥梁工程中，火灾是常见恶劣工况之一。钢管混凝土桥柱在火灾下，由于核心混凝土可吸收其外围钢管传来的热量，从而使其外包钢管的升温滞钢管混凝土柱在桥梁工程设计中的应用分析孙焱焱、徐菁（宿迁学院建筑工程学院，江苏 宿迁 223800）摘 要：为了提升桥梁工程质量，主要介绍钢管混凝土柱在桥梁工程设计中常用的截面形式以及承载力计算方法，阐述各种截面形式的特点，介绍不同规范的承载力计算方法，为钢管混凝土柱在桥梁工程中的实践应用提供依据。关键词：钢管混凝土柱；截面形式；桥梁工程；承载力中图分类号：U445.57文献标识码：A77运输经理世界隧道与桥梁工程后，使得钢管混凝土柱的钢管的承载力损失要比纯钢结构相对更小，而钢管也可以保护混凝土不发生崩裂现象。火灾下，随着外包钢管温度的不断升高，其承载力会不断降低，并将卸下的荷载传递给温升较慢且具有较高承载能力的核心混凝土。由于组成钢管混凝土柱的钢管及其核心混凝土之间具有相互贡献、相互弥补和共同工作的优势，使得这种结构具有较好的耐火性能2。1.1.5经济效果好工程实际经验表明：对于相同工况或者设计要求下，采用普通钢筋混凝土柱相较钢管混凝土柱，混凝土用量增加近 50%左右；采用钢结构柱相较钢管混凝土柱，用钢量要增加近 45%左右。例如，1990 年建成的四川旺苍东河大桥和四川宜宾南门金沙江大桥，均在成本控制上取得了良好的经济效果。1.2 钢管混凝土桥柱的缺点1.2.1应用范围有限现有工程实践表明，钢管混凝土结构主要用于桥梁工程中的桥柱、桥墩、拱架，而钢管混凝土梁的应用鲜有报道。其主要原因是一般情况下梁与桥墩连接较为复杂，导致设计施工存在一定的难度。1.2.2施工质量难以控制钢管混凝土柱的混凝土浇筑是隐蔽式工程，在浇筑过程中无法直接观察混凝土浇筑的密实程度。尤其是采用人工浇筑时，往往依靠操作人员的技术水平以及现场施工管理水平。此外，若使用超声脉冲等检测仪器检查发现有不密实情况时，只能将钢管不密实部位切开，补强混凝土后再用钢板焊接，如此则增加了施工进度和项目成本的风险。2钢管混凝土桥柱截面形式依据钢管混凝土桥柱的使用荷载工况以及周边环境需求的不同，钢管混凝土桥柱截面形式往往设计成圆形、矩形或方形截面。其一，圆形截面是钢管混凝土桥柱较为常见的截面形式。圆形截面形式制作简单、工艺成熟，其对核心混凝土的约束效应强，轴向荷载作用下受力明确、高效，常用于高速路桥墩、城市高架桥墩等。但相较于矩形截面，圆形截面钢管混凝土桥柱与梁节点连接复杂，不易施工；此外，圆形截面钢管混凝土桥柱的应用还限于特定的场景，如在城镇道路中，桥柱对指向性抗侧刚度要求较高或者城镇道路面积有限的情况下，使用矩形截面的桥柱较为合适。其二，矩形截面在指向性受力作用下具有较大的刚度，多用于承受荷载较大的桥墩或者桥柱，该截面形式与水平方向的横梁连接简单，便于施工；同时，相比圆形截面钢管混凝土桥柱，使用矩形截面使得柱尺寸降低，更易于道路的规划设计。但已有的工程实践和科学研究表明，矩形截面钢管混凝土桥柱的钢管管壁在轴向荷载作用下易向外屈曲，一方面使得钢管管壁对核心区混凝土横向变形的约束效应降低，即在屈曲处钢管管壁对核心混凝土的“套箍作用”下降或消失；另一方面，核心混凝土在钢管管壁发生向外屈曲时，管内混凝土发生横向变形甚至混凝土局部开裂，最终导致承载力下降。研究表明，在同等钢材和混凝土用量条件下，矩形截面钢管混凝土桥柱相较圆形截面，承载力降低了近 10%15%。由此可见，圆形截面和矩形截面钢管混凝土桥柱都有各自的优点和缺点。但一方面随着桥梁设计的可靠度要求以及轻量化设计要求的逐渐提高；另一方面，传统的混凝土桥柱被钢管混凝土桥柱所取代，导致构件的截面尺寸越来越大，这就意味着钢管混凝土桥柱的钢板厚度逐渐减小，导致管壁的宽厚比逐渐增大，因此，在计算钢管混凝土柱构件的承载力时，随着构件宽厚比增大引起的钢管壁的局部屈曲对构件承载性能造成的不利影响是不可忽视的，此外，研究表明，矩形截面的四个角部对核心区混凝土横向变形的约束效应明显大于四边管壁中部，所以，矩形截面钢管混凝土桥柱不能像圆形截面那样充分利用钢材的强度和套箍作用。综上所述，传统的圆形截面和矩形截面已不能满足工程需求。为解决钢管混凝土柱管壁易发生屈曲的问题，国内外诸多工程实践者和学者采用直肋截面和复合型截面，通过在核心区混凝土设置芯柱（见图 1）或在钢管管壁设置约束拉杆、角部隅撑、纵向加劲肋来减缓管壁的屈曲（见图 2）。研究发现3，设置纵向加劲肋可延缓管壁的屈曲,提高钢管混凝土桥柱的极限承载力,增加钢管混凝土桥柱的延性；设置约束拉杆后,在轴向压力作用下,矩形截面钢管混凝土桥柱的承载力提高幅度不明显，但在峰值荷载时，管壁中部竖向应变值随约束拉杆的加强而增大，钢管混凝土桥柱的塑性变形增大，延性提高。3钢管混凝土桥柱承载力计算目前国内外已有规范、规程对钢管混凝土桥柱承载力的计算方法，主要有美国规程 ACI(2014)、日本规程 AIJ(2008)、英 国 桥 梁 规 程 BS400(2005)、欧 洲 规 范EC4(2004)、中国工程建设标准化协会标准 矩形钢管混凝土结构技术规程(CECS 195：2004)等。ACI(2014)：N=Asfy+0.85fcAc（1）AIJ(2008)：N=AsF+0.85fcAc（2）DBJ 13-512003N=fsc(As+Ac)（3）fsc=(1.18+0.85)fc（4）式（1）式（4）中：As为 钢 管 横 截 面 面 积；F=min(fy,0.7fu)，fy为钢管的屈服强度，fu为钢管的极限抗78运输经理世界隧道与桥梁工程拉强度；Ac为混凝土横截面面积；fc为混凝土圆柱体抗 压 强 度；为 构 件 截 面 约 束 效 应 系 数 设 计 值，=Asf/Acfc；Ac为混凝土横截面面积4。由此可见，上述规程或规范 ACI(2014)、AIJ(2008)、BS400（2005）、EC4（2004）以及 CECS 195：2004 所描述的承载力计算与普通混凝土桥柱承载力计算类似，即为钢管和混凝土各自承载力之和，忽略了钢管和核心混凝土间的相互作用，这与钢管混凝土柱共同受力机理是相违背的，其计算的结果显然较试验值要小，偏于保守；而 DBJ 13-512003 以及 GJB 41422000 的承载力计算则考虑了钢管和混凝土之间的相互作用，采用套箍系数 将钢管和混凝土组合成一种材料进行考虑，因此采用统一理论计算的承载力值要大于规程 或 规 范 ACI(2014)、AIJ(2008)、BS400（2005）、EC4（2004）以及 CECS 195：2004 计算的承载力值。然 而，对 于 设 置 芯 柱 或 在 钢 管 管 壁 设 置 约 束 拉杆、角部隅撑、纵向加劲肋的钢管混凝土桥柱的承载力计算，各规程或规范并未给出。关于这些钢管混凝土柱的承载力计算目前还处于研究阶段，计算公式多出自高校科研院所课题组，且目前仅有地方行业规范对此做出相关计算介绍，并未在全国普及。4结论本文对桥梁工程中钢管混凝土桥柱的特点、基本原理、截面形式以及承载力计算方法进行了阐述，具体总结如下：一是钢管混凝土桥柱因其自身受力特点，在桥梁工程领域得到广泛应用。二是传统的矩形截面和圆形截面不能够满足现有的桥梁设计需求，而采用芯柱或直肋等方式能够解决钢管管壁屈曲的问题，近年来在工程实践中得到广泛应用。三是现有的规程或规范对传统钢管混凝土桥柱的承载力计算已做出详细介绍，但芯柱、直肋等钢管混凝土桥柱的承载力计算目前还处于研究阶段，需要进一步的理论与工程实践研究。参考文献：1钟善桐.钢管混凝土结构：第 3 版M.北京：清华大学出版社，2003.2刘永健，孙立鹏，周绪红，等.钢管混凝土桥塔工 程 应 用 与 研 究 进 展 J.中 国 公 路 学 报，2022（6）：1-21.3张立敏.刘家峡大桥大直径钢管混凝土桥塔设计与施工技术应用J.内蒙古公路与运输，2015（4）：31-34.4魏华，王海军.圆形配筋钢管混凝土桥柱受压力学性能的试验研究J.铁道学报，2015（1）：105-110.基金项目：2020 年宿迁市科技计划项目 整体卫浴在既有住宅适老化改造过程中降排水技术研究，项目编号：Z2020129图 1 设置芯柱的钢管混凝土柱矩形截面图 2 约束拉杆、角部隅撑、纵向加劲肋型矩形截面79