CN114861254A - 一种桥梁用钢管钢纤维混凝土结构抗弯刚度的计算方法 - Google Patents

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Abstract

一种桥梁用钢管钢纤维混凝土结构抗弯刚度的计算方法，以准确模拟桥梁用钢管钢纤维混凝土结构的抗弯刚度，从而准确计算模拟结构内力和变形，为该类型结构设计提供理论依据，满足实际工程需要。该方法包括如下步骤：①通过钢纤维混凝土试件试验，得到钢纤维掺入体积百分比为α的钢纤维混凝土压缩弹性模量ECF，其中α为钢纤维混凝土所掺入的钢纤维体积所占的百分比；②通过以下公式确定钢管钢纤维混凝土结构的抗弯刚度(EI)CF：(EI)CF＝ESIS+β(EC+EX·αμ)IC，其中μ为钢纤维影响因子。

Description

一种桥梁用钢管钢纤维混凝土结构抗弯刚度的计算方法
技术领域
本发明涉及建筑工程技术，特别涉及一种桥梁用钢管钢纤维混凝土结构抗弯刚度的计算方法。
背景技术
钢管混凝土拱桥属于钢管与混凝土组合结构中的一种。钢管混凝土拱桥是将钢管内填充混凝土，由于钢管的径向约束而限制受压混凝土的膨胀，使混凝土处于三向受压状态，从而显著提高混凝土的抗压强度。同时钢管兼有纵向主筋和横向套箍的作用，同时可作为施工模板，方便混凝土浇筑，施工过程中，钢管可作为劲性承重骨架，其焊接工作简单，吊装重量轻，从而能简化施工工艺，缩短施工工期。
目前，国内文献和规范均仅对钢管混凝土结构的刚度进行了介绍，如下所示：
一、国标《钢管混凝土拱桥技术规范》(GB50923-2013)中对钢管混凝土拱结构抗弯刚度计算公式为：
(EI)SC＝ESIS1+0.6ECIC1 (式1)
二、论文《铁路桥梁钢管混凝土结构基本设计参数研究》(徐升桥..铁道标准设计2011(03):52-55.DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2011.03.017.)中对钢管混凝土拱结构抗弯刚度计算公式为：
EI＝ESIS+0.5ηIECIC (式2)
其中ηI与钢管及混凝土材质有关，取值范围为0.23～0.96，详见该论文。
钢管钢纤维混凝土结构的力学性能与钢管混凝土拱结构有所不同，其钢纤维混凝土的抗拉性能比普通混凝土的抗拉性能好得多，钢纤维混凝土的弹性模量也不同于普通混凝土，若还采用普通的钢管混凝土结构的抗弯刚度计算方法，将无法体现钢纤维混凝土结构的力学性能优势，无法精确模拟结构的变形，使得设计误差变大，造成工程结构的浪费，甚至影响结构的安全。另外，钢管混凝土结构通常是偏心受压构件，即除了承受轴向压力的同时，也承担了弯矩。假设该弯矩从零开始慢慢增大，钢管内混凝土从全截面受压过渡到轻微受拉，最后演变为严重受拉(导致开裂)三种受力状态。传统普通钢管混凝土结构的抗弯刚度计算方法无法模拟管内混凝土在全截面受压、轻微受拉和严重受拉三种状态下钢管混凝土抗弯刚度的变化，对于受拉性能优于普通混凝土的钢纤维混凝土，若不加以区别计算，将使得结构计算误差更为明显。如果全部按严重受拉计算，将造成工程浪费，或者全部按全截面受压计算，又会导致结构不安全。进一步分析可知，目前国内文献和规范中仅针对普通钢管混凝土结构按严重受拉来确定其刚度计算方法。
因此，该领域存在技术不足，迫切需要提出一种能体现钢管钢纤维混凝土力学性能的抗弯刚度计算方法，为工程设计提供理论依据。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种桥梁用钢管钢纤维混凝土结构抗弯刚度的计算方法，以准确模拟桥梁用钢管钢纤维混凝土结构的抗弯刚度，从而准确计算模拟结构内力和变形，为该类型结构设计提供理论依据，满足实际工程需要。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
本发明一种桥梁用钢管钢纤维混凝土结构抗弯刚度的计算方法，包括如下步骤：
①通过钢纤维混凝土试件试验，得到钢纤维掺入体积百分比为α的钢纤维混凝土压缩弹性模量ECF，其中α为钢纤维混凝土所掺入的钢纤维体积所占的百分比；
②通过以下公式确定钢管钢纤维混凝土结构的抗弯刚度(EI)CF：
(EI)CF＝ESIS+β(EC+EX·αμ)IC
式中，ES、EX分别为钢管材料和钢纤维材料的弹性模量，通过相关标准查得；EC为未掺入钢纤维的同种配合比混凝土弹性模量，有试验数据时可取试验数据，无试验数据取同等级强度的混凝土弹性模量；IS、IC分别为钢管截面惯性矩、钢纤维混凝土截面惯性矩，通过数学公式计算得到；μ为钢纤维影响因子；β为管内钢纤维混凝土受拉影响系数；
其中，钢纤维影响因子μ利用公式EC+EX·αμ＝ECF，通过步骤①弹性模量试验得到的钢纤维混凝土压缩弹性模量ECF反算得到，试验数据表明，在α小于2％时，μ取值范围为1.02～1.05，当无试验数据时，据经验取1.035；
其中，钢管内钢纤维混凝土受拉影响系数β按如下方法确定：
当
Figure BDA0003572386280000041
即钢管内钢纤维混凝土混凝土轻微受拉或全截面受压时，取β＝1.0；
当
Figure BDA0003572386280000042
时，钢管钢纤维混凝土存在较严重受拉时，取
Figure BDA0003572386280000043
当
Figure BDA0003572386280000044
时，钢管钢纤维混凝土严重受拉时，取β＝0.5。
式中，σtk为钢纤维混凝土极限抗拉强度，σt为钢纤维混凝土的计算名义拉应力。
本发明的有益效果是，在本发明的计算方法中，其组成部分“EC+EX·αμ”可体现不同钢纤维掺量对钢管钢纤维混凝土刚度的贡献，而钢管内钢纤维混凝土受拉影响系数β可区分管内钢纤维混凝土受拉、压程度导致结构刚度的变化。和传统钢管混凝土刚度计算方法相比，该方法能充分利用管内钢纤维混凝土力学性能优势，更接近真实的模拟钢管钢纤维混凝土结构的抗弯刚度，避免了传统钢管混凝土刚度计算方法不能区分管内混凝土受拉严重程度导致刚度变化的缺点，使用该方法计算出的结构内力和变形更加真实准确，从而保证安全，节省工程造价，是一种值得推广的钢管钢纤维混凝土结构抗弯刚度的计算方法。
具体实施方式
下面实施例对本发明进一步说明。
本发明一种桥梁用钢管钢纤维混凝土结构抗弯刚度的计算方法，包括如下步骤：
①通过钢纤维混凝土试件试验，得到钢纤维掺入体积百分比为α的钢纤维混凝土压缩弹性模量ECF，其中α为钢纤维混凝土所掺入的钢纤维体积所占的百分比。为便于钢纤维均匀分散在混凝土中，充分发挥钢纤维作用，α一般不宜超过2％；
②通过以下公式确定钢管钢纤维混凝土结构的抗弯刚度(EI)CF：
(EI)CF＝ESIS+β(EC+EX·αμ)IC (式3)
式中，ES、EX分别为钢管材料和钢纤维材料的弹性模量，通过相关标准查得；EC为未掺入钢纤维的同种配合比混凝土弹性模量，有试验数据时可取试验数据，无试验数据取同等级强度的混凝土弹性模量；IS、IC分别为钢管截面惯性矩、钢纤维混凝土截面惯性矩，通过数学公式计算得到；μ为钢纤维影响因子；β为管内钢纤维混凝土受拉影响系数；
其中，钢纤维影响因子μ利用公式EC+EX·αμ＝ECF，通过步骤①弹性模量试验得到的钢纤维混凝土压缩弹性模量ECF反算得到，试验数据表明，在α小于2％时，μ取值范围为1.02～1.05，当无试验数据时，据经验取1.035；
其中，钢管内钢纤维混凝土受拉影响系数β按如下方法确定：
当
Figure BDA0003572386280000051
即钢管内钢纤维混凝土混凝土轻微受拉或全截面受压时，取β＝1.0；
当
Figure BDA0003572386280000052
时，钢管钢纤维混凝土存在较严重受拉时，取
Figure BDA0003572386280000053
当
Figure BDA0003572386280000061
时，钢管钢纤维混凝土严重受拉时，取β＝0.5。
式中，σtk为钢纤维混凝土极限抗拉强度，σt为钢纤维混凝土的计算名义拉应力。
由于钢纤维混凝土的极限抗拉强度σtk是普通混凝土的1.5倍左右，对于相同大小的名义拉应力σt，钢管内钢纤维混凝土受拉影响系数β也是普通钢管混凝土按相同方法计算出β的1.5倍左右，因此，按上述方法计算，其抗弯刚度得以大大提高。
实施例：
某铁路桥设计采用跨度为430m的钢管混凝土拱桥方案，为提高管内混凝土的抗拉能力，并减少开裂导致刚度下降，在管内混凝土掺入了按1.5％体积比例的钢纤维。
如下表1为直径1.6m的管内钢纤维混凝土在全截面受压、轻微受拉、较严重受拉、严重受拉四种状态下，按国标(式1)、论文(式2)、本发明(式3)分别计算得到抗弯刚度的计算表。如下表2为管内钢纤维混凝土轻微受拉时，在满足桥梁设计刚度的情况下，钢管直径和钢材、混凝土用量对比表。
从表1可知，在管内钢纤维全截面受压、轻微受拉、较严重受拉三种状态下，本发明计算所得的刚度均比国标或论文所述的方法提高15％～50％左右。从表2可知，在满足同样桥梁刚度需求的情况下，管内钢纤维混凝土处于轻微受拉时，采用本发明(式3)计算需要的钢管直径为1.6m，采用国标(式1)或者论文(式2)计算所需要的钢管直径分别为1.755m和1.81m，采用本发明计算直径减小10％左右，钢管材料用量节省约10％，混凝土用量节省约20％，以430m钢管混凝土拱桥计算为例，钢材节省555t，管内混凝土节省2071m3，全桥节约建设成本约1652万元。
表1 钢管钢纤维混凝土抗弯刚度计算(相同钢管直径和钢纤维掺量)
全截面受压 轻微受拉 较严重受拉 严重受拉
钢管直径(m) 1.6 1.6 1.6 1.6
壁厚t(mm) 20 20 20 20
Es(MPa) 210000 210000 210000 210000
E<sub>C</sub>(MPa) 36500 36500 36500 36500
Ex(MPa) 210000 210000 210000 210000
α(％) 1.50 1.50 1.50 1.50
μ 1.035 1.035 1.035 1.035
E<sub>CF</sub>(MPa) 39219 39219 39219 39219
E<sub>CF</sub>/E<sub>C</sub> 1.07 1.07 1.07 1.07
Ic(m<sup>4</sup>) 0.29072 0.29072 0.29072 0.29072
Is(m<sup>4</sup>) 0.03098 0.03098 0.03098 0.03098
σ<sub>tk</sub>(MPa) 5.5 5.5 5.5 5.5
σ<sub>t</sub>(MPa) 0 3 4.5 5.5
σ<sub>tk</sub>/σ<sub>t</sub> -- 1.83 1.22 1.00
β 1.00 1.00 0.73 0.60
η 0.96 0.96 0.96 0.96
国标(式1)(KN*m2) 12873 12873 12873 12873
论文(式2)(KN*m2) 11600 11600 11600 11600
本发明(式3)(KN*m2) 17908 17908 14868 13348
本发明/国标 1.391 1.391 1.155 1.037
本发明/论文 1.544 1.544 1.282 1.151
表2 钢管钢纤维混凝土抗弯刚度计算表(相同抗弯刚度)
Figure BDA0003572386280000081
本发明提供的一种桥梁用钢管钢纤维混凝土结构抗弯刚度的计算方法，能合理体现不同钢纤维掺量对钢管钢纤维混凝土结构抗弯刚度的贡献，且能区分管内钢纤维混凝土受压、或受拉严重程度不同而导致钢管钢纤维混凝土结构抗弯刚度的变化。避免了传统钢管混凝土刚度计算方法不能区分管内混凝土受拉严重程度导致刚度变化的缺点，为钢管钢纤维混凝土结构合理设计提供科学依据，合理节省工程造价。

Claims (1)

1.一种桥梁用钢管钢纤维混凝土结构抗弯刚度的计算方法，包括如下步骤：
①通过钢纤维混凝土试件试验，得到钢纤维掺入体积百分比为α的钢纤维混凝土压缩弹性模量ECF，其中α为钢纤维混凝土所掺入的钢纤维体积所占的百分比；
②通过以下公式确定钢管钢纤维混凝土结构的抗弯刚度(EI)CF：
(EI)CF＝ESIS+β(EC+EX·αμ)IC
式中，ES、EX分别为钢管材料和钢纤维材料的弹性模量，通过相关标准查得；EC为未掺入钢纤维的同种配合比混凝土弹性模量，有试验数据时可取试验数据，无试验数据取同等级强度的混凝土弹性模量；IS、IC分别为钢管截面惯性矩、钢纤维混凝土截面惯性矩，通过数学公式计算得到；μ为钢纤维影响因子；β为管内钢纤维混凝土受拉影响系数；
其中，钢纤维影响因子μ利用公式EC+EX·αμ＝ECF，通过步骤①弹性模量试验得到的钢纤维混凝土压缩弹性模量ECF反算得到，试验数据表明，在α小于2％时，μ取值范围为1.02～1.05，当无试验数据时，据经验取1.035；
其中，钢管内钢纤维混凝土受拉影响系数β按如下方法确定：
当
Figure FDA0003572386270000011
即钢管内钢纤维混凝土混凝土轻微受拉或全截面受压时，取β＝1.0；
当
Figure FDA0003572386270000012
时，钢管钢纤维混凝土存在较严重受拉时，取
Figure FDA0003572386270000021
当
Figure FDA0003572386270000022
时，钢管钢纤维混凝土严重受拉时，取β＝0.5。
式中，σtk为钢纤维混凝土极限抗拉强度，σt为钢纤维混凝土的计算名义拉应力。
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