钢管混凝土应力及极限承载能力的计算分析

陈晓晖 李明樾 洪星架

摘要：文章对钢管混凝土中钢管-混凝土的应力及极限承载能力进行了研究，并提出了新的计算方法，所采用的公式更简洁，计算参数更少，各参数的物理意义更明确，还能对钢管与核心混凝土各阶段的应力和应变进行分析，结果更丰富，适合推广应用。

关键词：钢管混凝土;应力;极限承载能力

0 引言

随着钢管混凝土的应用越来越广泛，对钢管混凝土中钢管-混凝土的应力及极限承载能力的分析计算也提出了更高的要求。本文研究提出了一种新的计算方法，与文献[1]钟善桐提出的计算公式和验算方法相比较，其结果很相近，但采用的公式和参数更为简洁且计算结果更丰富。此方法在马滩红水河特大桥钢管混凝土拱肋设计中进行应用验证，得出的结果十分理想，具有推广的价值。

1 钢管-混凝土的应力及极限承载能力分析计算

钢管混凝土的极限承载能力能否显著提高，与钢管对混凝土的约束有很大的关系。在钢管混凝土中，核心混凝土的泊松比大于钢管的泊松比，因此它们的内部变形是不同步的。当轴向荷载同时作用于钢管与混凝土时，产生的强制钢管混凝土轴向变形相同，此时钢管的刚度足够，在混凝土破坏前钢管不会发生屈服破坏，其泊松比不变。后续在不断加大的轴向压缩荷载作用下，核心混凝土与钢管按相同的横向变形速率产生变形，此时钢管受到核心混凝土的挤压，横向变形速率增大，钢管对混凝土的约束作用达到弹性极限。如果继续增加压缩荷载，钢管和混凝土的泊松比按相协调的速率增大，当钢管的泊松比达到0.5时，核心混凝土的泊松比也同時达到0.5，钢管混凝土的承载能力达到塑性极限。再继续增加荷载时，钢管屈服后会发生塑性流动，失去对混凝土的约束，核心混凝土的裂缝扩展，导致核心混凝土和钢管快速破坏。

1.2 钢管混凝土的极限承载力计算应用

在马滩红水河特大桥钢管混凝土拱肋设计中，运用了新计算公式，试件中混凝土的抗压强度为C50，轴心抗压强度为38.75 MPa，轴心抗拉强度为3.41 MPa，拉压强度比α=0.087 9，泊松比νh=0.176。钢管直径D=1 200 mm，壁厚t=28 mm，钢管面积率ρg=0.087 2。钢管采用Q235钢板，屈服强度fsg=375 MPa，破坏强度fpg=460 MPa。混凝土达到轴心抗压强度时，钢管混凝土开始出现第一屈服点，钢管的轴向应力σgz=247.91 MPa，钢管混凝土的轴向应变εz=0.096 1%，钢管混凝土的第一屈服点应力σsz1=56.98 MPa;钢管应力达到材料屈服强度，钢管混凝土出现第二屈服点，其计算应力σsz1=68.06 MPa;钢管应力达到材料破坏强度时，钢管混凝土达到破坏强度，计算破坏强度σpz=75.48 MPa。相同钢管面积率时，改变钢管直径和厚度，其他条件不变，计算结果不出现尺寸效应。

为与室内试验相比较，混凝土的强度应采用实际抗压强度。例如工地上配制的C50钢管混凝土，混凝土的实际抗压强度为80 MPa，对于直径为1 200 mm，厚28 mm的钢管，特征点的应力分别为σsz1=97.54 MPa，σsz2=96.54 MPa和σsz3=104.44 MPa;对于直径为150 mm，厚3.5 mm的钢管混凝土试件，特征点的应力分别为σsz1=95.76 MPa，σsz2=94.77 MPa和σsz3=102.18 MPa。两者有微小差别，与大尺寸钢管中混凝土的刚度较大有关。

2 结语

从以上分析及计算结果可看出，本研究所用的计算方法，除采用弹性本构关系外，并没有引入其他新的假设，得到的钢管混凝土屈服应力和破坏强度与已有的试验研究结果相符。与已有结果相比，本研究提出的计算方法，公式更简洁，所采用的计算参数更少，各参数的物理意义更明确，还能对钢管与核心混凝土各阶段的应力和应变进行分析，结果更丰富。将该计算方法推广应用，可以将钢管混凝土应力及极限承载力的理论研究推进一大步。

参考文献：

[1]钟善桐.钢管混凝土统一理论研究与应用[M].北京：清华大学出版社，2006.

[2]陈宝春.钢管混凝土拱桥[M].北京：人民交通出版社，2016.

[3]韩林海，陶 忠，王文达.现代组合结构和混合结构-试验、理论和方法[M].北京：科学出版社，2009.

[4]GB50923-2013，钢管混凝土拱桥技术规范[S].

收稿日期：2020-06-10