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钢管混凝土混合结构设计原理及其在桥梁工程中的应用蓝庆忠

发表时间：2021/6/16 来源：《建筑科技》2021年3月下作者：蓝庆忠

[导读] 伴随着我国的社会建设和城市化进程的不断扩大，桥梁工程的建设数量也在不断增加，其质量也相应提出了更高的要求。RC混合结构是目前国内在强震区进行桥梁设计时的一种优选结构，其构件主要为钢管混凝土和钢或混凝土，经优化混合后，具有较高的性能。

身份证号码：4527311983041****7 蓝庆忠

摘要：伴随着我国的社会建设和城市化进程的不断扩大，桥梁工程的建设数量也在不断增加，其质量也相应提出了更高的要求。RC混合结构是目前国内在强震区进行桥梁设计时的一种优选结构，其构件主要为钢管混凝土和钢或混凝土，经优化混合后，具有较高的性能。本文以此为基础，对其中极具代表性的两种钢管混凝土混合结构的设计原理及其在使用过程中所涉及的工作机理进行简要的论述，并结合其在桥梁工程中的应用从实际出发，进行相关的阐述。
关键词：钢筋混凝土；混合结构设计原理；桥梁工程应用
        前言：
        由于时代的发展，对组合结构和混合结构的研究已成为目前结构工程界研究的热点。在一般情况下，组合结构是指两种或多种不同的工程材料在构件层次上完成组合后形成的结构；而混合结构则是由不同材料构成的结构构件和部件在结构和结构体系层次上的组合。下面以桁架式钢管混凝土结构和钢管混凝土加劲混合结构为例，分析它们在桥梁工程中的具体应用。
        1.结构组成的概述
        近几年我国不断加大对深山峡谷桥梁的建设力度，一些地区的地形条件不断地给相关设计和施工人员带来很大的困难，大跨度、高耸、重载等现象对施工人员来说早已见怪不怪。然而，以我国具有较强代表性的四川省为例，在震区（抗震设防烈度7度及以上）所建桥梁结构中，无论跨径还是墩身高度，都存在一定的设计难度，而且在施工过程中相关材料的运输及设防烈度的建造都是一大难题，对有关负责人和施工人员提出了挑战。同时，四川省在新时期也有了脱贫致富的战略需要，这是我国6个重点扶贫地区之一，急需完成现有的交通运输建设，把贫困人口引向致富道路。在深山峡谷和贫困山区等地区修建桥梁，无论是在经济和技术上，还是在相应的施工设备上，都会受到不同程度的限制，而且还会受到这些方面的影响，而地处强震区山区桥梁的传统钢和钢筋混凝土结构各方面的条件和性质，无法满足这一要求。新的结构形式在这种情况下，承载力、抗震性能及经济条件适宜，施工方便，更能满足当前桥梁建设的实际需要[1]。
        桁架式钢管混凝土和钢管混凝土加劲混合结构是两种典型的钢筋混凝土混合结构，前者由钢弦和钢腹杆组成，后者由多支桁架和外置钢筋混凝土组成，基本相同。但值得注意的是，这两种结构都是钢管混凝土和传统的钢或混凝土经优化后的混合物，且在目前针对桥梁建设所考虑的经济和技术问题有针对性地进行了调整，并有针对性地对桥梁建设中所遇到的难题进行了调整，已成为当前强震区桥梁建设中的主要施工形式之一[2]。桁架钢管混凝结构的基本形式，其中包含了由钢管混凝土弦杆与钢管腹杆混合组成的多种结构形式，弦杆的数目可以有三个或三个以上的肢体等。钢管混凝土桁架可以用来做桥墩，也可以用钢筋混凝土桥墩和板材组成混合结构桥面系。本文研究了钢筋混凝土加劲混合结构的成型过程，并从结构设计角度进行了分析和观察，认为这种结构主要是由内置多肢梁（如四肢梁或六肢梁）的钢管混凝土与外置钢筋混凝土混合而成，最终形成中空结构，而存在于桁架絮凝器中的钢腹杆既可用作钢管，也可用作其他钢型梁。以混合结构作为墩拱主体结构时，桁架为桁架，桁架上形成了完整的钢筋混凝土加劲混合结构，而桁架上形成的骨架则承担了相关施工的重力荷载，本文就桁架式钢管混凝土结构进行了重点研究。
        2.桁式钢管混凝土结构的工作机理和设计方法
        2.1钢管混凝土弦杆－钢管腹杆的连接节点
        钢管混凝土弦杆－钢管腹杆的连接节点可以表现为K形、T形，节点所在之处对整个桁式钢管混凝土结构体系的受力点起到决定性作用，是受力关键所在。在进行结构构建时，在弦杆的钢管中完成混凝土的填充，实现钢管与混凝土这一结构核心的协调互补，能够对在结构构建中常见的空钢管节点冲剪破坏以及在弦杆表面塑性的破坏进行有效避免，极大程度上提升节点的安全以及适用性能[3]。在不断的工作实践中，人们进行了经验的总结，在此类节点相关联的静力性能、疲劳性能以及相应的耐腐蚀性能等诸多方面进行了科学、系统的分析与研究，实现了对其进行荷载工作时的相应工作机理，并通过对机理的研究，指出了在工程实践中极为适用的关于承载力的计算公式以及统筹整个工程的设计方法，使工程施工时对相关技术的运用以及设计标准规范拥有依据可循。
        2.2对钢管混凝土杆件的抗拉性能进行分析
        对钢管混凝土杆件的抗拉性能进行分析，是对关键节点以及整个结构体系工作机理运作进行进一步了解的基础，受在桁式钢管混凝土结构中的钢管混凝土弦杆惯常处于受拉状态的影响，需要对其材料的强度、含钢率以及界面性能等相关的影响参数进行试验研究。并且相关的实验结果给钢管混凝土的轴拉试件承载力与延展性带来良好体现；在因不能承受其强度使得钢管混凝土试件出现破损后，核心混凝土的表面会出现均匀裂缝，并且垂直于受力方向。拉伸和承受测试的能力。混凝土质量等数据的掌握，阐述出其在进行荷载时产生的拉伸和位移关系，对其抗拉强度进行准确定义，以及相应的影响规律及参数的剖析推理出针对抗拉强度的计算方法。并且其与普通的空钢管试件相比，在进行混凝土的填充后，轴拉强度提高10%左右。
        2.3探究钢管混凝凝土－钢管腹杆连接节点的静力性能
        空钢管K形节点的破坏形态主要为以下两种表现：①弦杆表面的塑性遭到破坏，受压腹杆处弦杆内凹失效；②弦杆的冲剪遭到破坏，其受压表面出现拉伸冲剪。通过开展关于钢管混凝土弦杆－钢管腹杆K形节点的任意边界条件的试验，并对其试验结果进行研究。结果表明这种灌注混凝土能有效地减小弦杆钢管的内凹变形，增大了自身荷载作用范围，延缓了弦杆表面的塑性变形，提高了节点的承载能力和延性。

        2.3钢管混凝土弦杆－钢管腹杆桁式结构
        在对桁式钢管混凝土结构的抗弯性能进行试验时，发现其抗弯试件大体出现两类破坏形态：梁弯曲的破坏以及弯剪段节点的破坏。其中梁弯曲的破坏主要表现为试件整体发生较大的挠曲，在挠度达到150mm时，节点没有出现明显的破坏现象；而弯剪节点的破坏表现在除了整体挠曲现象的发生，荷载量的增加会相应地导致节点出现破损，试件会在剪跨区出现节点破坏（焊缝撕裂、弦杆撕裂以及受压节点区域的弦杆出现屈曲）。钢筋混凝土板与桁式钢管混凝土结构受力时会保持共同工作，且通过钢筋混凝土板可以对剪力的传递路径发生更改，使腹杆的发展应变更加充分，提高整体的刚度和承载力。实测的曲线形桁式钢管混凝土和相应的曲线形空钢管对比试件的荷载－挠度关系曲线如图所示。可见，钢管弦杆内填充混凝土后，试件由局部节点破坏转变为整体弯曲破坏，试件的整体抗弯承载力、刚度和延性均得到较大提高，其极限承载力提高约56.2%。
        结论：
        综上所述，文章对当前受到我国的强震区桥梁建设的认可，成为在进行桥梁设计时的优选结构之一进行了相关研究与应用论述，使人们对桁式钢管混凝土结构以及钢管混凝土加劲混台结构有了更清晰的认知，尤其是前者，为相关设计施工人员提供了相应的可靠借鉴，希望能够以此在长远角度上促进强震区的桥梁建设以及贫困地区的交通建设，为我国脱贫致富的战略要求贡献出一份力量。
参考文献：
[1]徐世友. 钢管混凝土的受力特点及其在桥梁中的应用研究[J]. 建筑·建材·装饰， 2020, 000(007):85-86.
[2]俞英. 钢管高性能混凝土在桥梁中的应用[J]. 福建交通科技，2020, No.177(06):141-143+154.
[3]孔祥. 论钢管混凝土结构在建筑工程中的应用[J]. 山西建筑，2015, 000(033):36-37.