复合钢管砼计算方法与应用

1、复合钢管砼计算方法在桥梁中的应用伍尚干陈春林伍佳玉吴清明1、前言我国钢管砼的研究和应用都已取得了很大的成果，钢管和砼的相互组合应用，可以克服砼的脆性和钢管的稳定问题，能够充分发挥两种材料特点，园形钢管的紧箍力还能提高砼的承载力，是一种很合理的材料使用方法。钢管砼在施工过程中，能起到骨架、配筋和模板的作用，使结构逐渐加强和形成，解决了大跨径拱桥的施工困难，使拱桥施工变得简便安全，所以在拱桥中获得较快的发展。但是钢管砼的应用也不够完善，计算中还存在一些问题，在使用中最突出的是钢管的锈蚀，防护很麻烦，大直径钢管的用钢量偏大，加工费较高，桁架结点的焊接处理困难，造价偏高，影响了钢管砼的竞争与发展。2、

2、复合钢管砼复合的定义是指两种或多种材料，按一定的规则组合成整体。采用型钢作劲性骨架，然后外包钢筋砼，称作钢骨砼。采用钢管砼作劲性骨架，然后外包钢筋砼，同理可称作钢管砼骨架砼，将钢筋砼与钢管砼的结合称作复合(即组合或结合)钢管砼，名称简明直观。这里所指的复合钢管砼，是指主要以钢管砼骨架受压为主，承载力佔50%70%左右的强劲性骨架，即所谓的刚性骨架。它能充分发挥钢管砼的优点，克服了它存在的缺点。外包的钢筋砼加大了截面刚度，按构造和内力需要配筋，起到參与受力和防护的双重作用。使钢管的加工方便，联结的加劲处理灵活方便，再立模板浇筑外包砼也简便，只相当于加固和装修工程。现在钢管砼拱桥的锈蚀防护，多以油

3、漆为主，也有噴锌、鋁和高分子涂料的。前者能保持35年时间，因受阳光照晒的影响，褪色很快，影响美观。后者能用25年时间，其价格很高。仍是砼的耐久性好, 施工灵活方便，造价较合理。外包的钢筋砼对钢管砼劲性骨架可起到一定的隔热作用，钢比相同条件的砼温度要高15C以上，使劲性骨架受温度的影响减弱，对劲性骨架的工作有利。钢管砼拱桥受强度和稳定的需要，多采用大直径的钢管，用钢量偏大，造价也高。国内第一座钢管砼拱桥四川旺苍大桥，采用就地加工和焊接制造，是较经济合理的。故采用较小管径的复合钢管砼，可简化加工方法，再外包钢筋砼形成所需的截面，按受力和构造需要配筋，使结点处理方便，用钢量较合理，是钢管砼的合理应用

4、形式。现在钢管砼仅用在单一的拱桥中，采用复合钢管砼材料，可以在桥梁上得到广泛的应用。3、复合钢管砼的发展复合钢管砼的结构形式，工程中已有应用先例，拱桥中有用钢管砼作骨架的钢筋混凝土箱形拱，钢管砼骨架起了重要的作用。但是，因为钢管砼骨架还比较弱，它的截面积与砼截面积相比较小，在截面的强度计算中，未考虑钢管紧箍力所起的承载力作用，只按钢筋混凝土截面作简化计算。另外一个原因是未搞清楚钢管砼在钢筋混凝土截面中的作用机理，还未建立起计算的方法，不便于计算。简化计算并非不可，但是探究清楚钢管砼在钢筋混凝土截面中的作用，也是完全需要的。钢管砼骨架弱时刚度较小，施工加载的过程也不够安全。而强的劲性骨架刚度较大

5、，施工安全性好，充分发挥钢管砼的主要承力作用，这就是复合钢管砼所要提倡的。对于复合钢管砼的截面，不计钢管砼的特殊作用，显然是不合理的，这是复合钢管砼需要解决的问题。实际上钢管砼与钢筋砼结合的复合钢管砼，在桥梁和建筑中有成功的应用，与加固工程所用的原理基本相同，效果良好。4、复合原理复合钢管砼与钢骨砼有相似的原理，钢管的紧箍力比钢骨砼的型钢更优越，它实质上是一种特殊形式的钢骨砼。钢管作为骨架使用，它的特殊截面形式，对管内砼的环向紧箍力作用，能发挥材料的塑性性能，提高钢管砼的承载能力。钢骨砼的特性已有成熟的研究，其规律可供复合钢管砼借鉴。笔者在“钢管砼短柱强度计算新探”一文中，已将钢管砼的承载力，

6、按材料强度实现了分离计算，将其应用在复合钢管砼中，也能实现复合钢管砼的钢管、内填砼、径向荷载、外包钢筋砼的分离计算，实现钢管砼和钢筋砼组合材料的内力叠加计算。设计假定：钢管与外包砼之间结合良好，外包砼不能剥离，形成整体截面，两者能够协同工作。受拉和受压钢筋、钢管采用理想弹塑性的平面应力应变关系。钢管内填砼饱满。受拉区的砼不参加工作。钢管砼受弯矩作用时，对应纵向应变为钢管及砼的受力状态与钢管砼的轴心受力时相同，纵向应变的钢管及砼的受力状态相同。钢管砼作为劲性骨架，应能承受主要的施工荷载，先发生较大的初始压缩变形。 为了保证截面的整体性，外包砼的标号应用得较高，以便具有较强的粘结力。除受力钢筋以外

7、，要加强箍筋和在钢管上焊接錨固钢筋，避免发生剥离破坏。外包砼的厚度不能太薄，砼太薄会影响粘结力的发挥，也要影响砼的浇筑操作。5、内力叠加法 实践证明钢骨和钢管砼的外包砼能够结合为整体，构件截面的应变复合平面的假定。采用加强箍筋、錨固钢筋和较高标号的砼，就能加强截面的整体作用。钢管砼在钢管的弹塑性变形阶段，有明显的应力调整现象。由于砼的收缩和徐变，复合钢管砼截面的应力重分布是非常明显的。前期的施工加载在截面中有明显的应力叠加现象，后期加载和使用期间，就呈现出内力叠加现象。应力叠加是出现在弹性阶段，施工加栽阶段可以用应力叠加作计算，便于配合测试和用应力值来控制结构的安全状态。极限状态法已考虑了材料

8、的塑性作用，故內力叠加是出现在弹塑性阶段，应该采用极限状态法作计算。所以，钢骨砼就采用简单内力叠加法来计算，复合钢管砼也可以采用简单内力叠加法来计算。工程中的结构加固，达到使结构内力发生调整和加固的目的，即是内力叠加原理的应用。由塑性理论下限定理可知，对于满足平衡条件的，由任意轴力分配所确定的各部分受弯承载力之和中，真实的极限承载力为最大值。根据这一理论，采用叠加方法计算的结果，总是偏于安全的。內力调整的中间过程是复杂的，只要注意劲性骨架的强度和稳定，能够保证施工安全，可不考虑应力调整的中间变化过程，只以最大的极限承载力作控制。内力叠加理论的计算公式：钢管砼短柱承载力No=AsFs +Acfs

9、t/rc+AcFc= Nst + Nsc+ Nnc基本形式：NNst + Nsc+ Nnc+ Nwc（钢管、钢管紧箍力、钢管内填砼、外包钢筋砼） MMtc +Mwc （钢管砼、钢筋砼） 按加载受力情况分为：当NNst为钢管砼受拉时N= Nst 钢管承受拉力 ，MMst钢管砼承受弯矩； 当NNst+ Nsc +Nnc为钢管砼劲性骨架加载时 N= Nst+Nsc+Nnc ，MMst钢管砼承受轴压力和弯矩；当NNst+ Nsc+Nnc +Nwc为复合钢管砼加载时 N= Nst + Nsc+ Nnc+ Nwc ，MMtc+Mwc钢管砼和外包钢筋砼承受轴压力和弯矩； 当NNtc +Nwc，为复合钢管砼加

10、载受拉时，MMwc时 N=Nst+Nwc钢管和钢筋承受拉力，M= Mwc钢筋砼承受弯矩。 式中：N、M为计算的受压轴力和弯矩设计值；Nst为钢管部分的轴心受压承栽力；Nnc为钢管内填充砼部分的受压承载力；Nsc为钢管内填砼的紧箍力提高强度部分的轴心受压承载力；Nst，Mst为钢管砼(劲性骨架)部分的轴心受压和受弯承载力；Nwc为外包钢筋砼大、小偏心受压界限破坏时的轴心受压承载力；Mwc为钢筋砼大、小偏心受压界限破坏时的受弯承栽力；Nst为钢管的轴心受拉承载力；Nwc为外包钢筋砼的轴心受拉承载力。 6、内力叠加的特点在以上计算中的参数，钢管砼部分按钢管砼的内力叠加法计算，外包钢筋砼部分按钢筋砼的

11、规程计算。在计算外包钢筋砼部分的承载力时，如果按内园外方的截面来计算，是很麻烦的，可以偏安全的将内园外方的截面简化为箱形截面，按工字形截面计算，见图（一）。公式的计算结果是安全的。实际在施工过程中，首先是充分发挥钢管砼劲性骨架的作用，然后才是外包钢筋砼发挥作用，并发生应力调整。钢管砼劲性骨架的截面较小，刚度较小，弯矩较小，要按钢管砼长柱计算，以验算骨架阶段的安全。钢管砼骨架的弹性模量较大，承载能力强，承受主要荷载，先要发生较大的初始变形，以后才是和外包钢筋砼共同承力，能使二者的变形比较协调一致。为了发挥复合材料的优点，钢管砼与外包钢筋砼的截面叠合比值不宜过小，一般应大于0.30。将一期轴力单独

12、施加到钢管砼骨架上，剩余轴力由钢筋砼来分担，就降低了钢筋砼部分的轴压比。由钢管砼承担大部分轴力，可以提高钢管砼骨架的轴压比，充分发挥钢管砼劲性骨架的作用，保证钢管砼骨架产生较大的初始压应变。若钢管砼未加初始压应变，而与外包钢筋砼同时加载，将导致外包钢筋砼先局部剥离破坏，也不符合钢管砼作劲性骨架施工的实际受力情况。在压弯构件中，复合钢管砼的应力调整，是在外包钢筋砼以后，截面刚度加大，外包钢筋砼参加受力，钢管砼轴力的增加会减小。钢筋砼的轴力和弯矩达到最大以后，轴力会开始减小，钢管砼的轴力会增大。外包钢筋砼的收缩和徐变，是卸载的原因和应力调整的条件，也是不同材料相互之间的互补性和轴向力的转移传递,

13、见图（二）。当外包钢筋砼发挥作用时，钢管砼的轴力增加将变得缓慢，最终才达到最大，故钢管砼的承载力应当留有安全余地。为了配合钢管砼和外包钢筋砼的应力调整变化，外包钢筋砼施工的时间，应按施工方便和加载程序要求而定。内力调整是应力的变化过程，是普遍存在的现象，是内力叠加公式建立的基础。由于钢管砼的初始压应变较大，在压弯状态中轴力重分配的幅度会更大一些。所以，复合钢管砼是有一定规则的，既要充分发挥劲性骨架的作用，又应保留较大的安全余地，以保证施工安全。7、算例：（1）钢管砼骨架：见图（三）。 按钢管砼短柱强度计算新探方法计算。16Mn 钢管550 x10 钢管内半径rc=265mm 钢管壁厚t=10m

14、m 钢管面积As=169.6cm钢管设计强度fs=315mpaC50砼Ac=2206.2cm砼设计强度fc=23.5mpa轴向压力N1=28994KN弯距M1=870KN.m 偏心距eO=0.03m 钢管砼短柱承载力：No=AsFs+AcFc+Acfst/rc=(169.6x315+2206.2x23.5+2206.2x315x10/265)x10 =13149KN 计算长度LO=0.5L=0.5X400=200cm LO /D=200/55=2.463 4 纵向弯曲系数l=1偏心距系数eO/r =30/265=0.113 = N1=28994KN.M加载轴压比N1/ Ntc =28994/3

15、2623=0.89(2)外包钢筋混凝土：见图（四）。按公路钢筋混凝土及预应力混凝土设计规范（JTJ 02385）计算。轴向力N2 =11259KN 弯距M2=920 KN.m 级钢筋 C50 钢筋强度Rg=Rg=340mpa 砼强度Ra=28.5mpa 2214 Ag=Ag=33.9cm偏心距eO=920/11259=8cm e=54cm e=38cm RabX(e-h+X/2)+Ra(bj-b)hj (e-ho+hj=gAge+RgAgeg=600(0.9 ho/x-1) 28.5x220X(8-96+X/2)+28.5x(220-55)x22.5x(8-96+22.5/2)=600 x(0

16、.9x96/X-1)X33.9x54+340X33.9X38X0.028X2201.6X-30271=0X=52.7cmg=600 x(0.9x96/552.7-1)=383mpa 取g=340mpaNwc=(rb/rc)RabX+Ra(bj-b)hj+(rb/rs)(RgAg-gAg)=(0.95/1.25)x28.5x55x52.7+28.5x(220-55)x22.5x10+(0.95/1.25)x(340 x33.9- 340 x33.9)x10=13832 KN N1 =11259KN Mwc=(rb/rc)RabX(hO-X/2)+Ra(bj-b)hj(ho-hj/2)+(rb/r

17、s)(RgAg(ho-ag)=(0.95/1.25)x28.5x55x52.7x(96-52.7/2)+28.5x(220-55)x22.5x(96-22.5/2)x10+(0.95/1.25)x(340 x33.9x(96-4)x10=11581 KN.m M2 =920KN.(3)内力叠加法：=N1+N2=28994+11259=40253KNNtc +Nwc=32623+13832=46455KN M=M1+M2=870+920=1790KN.mMwc= 11581 KN.m本算例为较强的劲性钢管砼骨架，计算钢筋砼时配筋较弱，钢筋砼的强度将先达到最大，因为钢管砼骨架的承载力还留有安全余地

18、，即加强主要材料的原则。如果是较弱劲性钢管砼骨架，钢管砼骨架的承载力将达到最大，而钢筋砼应该加强配筋，使钢筋砼中留有较大的安全余地，这也是加强主要材料的原则。所以，这是强、弱劲性钢管砼骨架在复合钢管砼计算中的区别和特点，本文也解决了弱劲性钢管砼骨架在复合钢管砼中计算的方法问题。因此，勿论骨架的强、弱都是可以算的，其原则是弱的材料度将达到最大，而强的材料强度中须留有足够的安全余地，才能保证复合钢管砼结构的安全。8、结论（1）复合钢管砼也同钢骨砼的原理相类似，由于钢管紧箍力的作用，比钢骨砼的工作效率更高，承载能力更大。（2）复合钢管砼截面的强度计算方法，可采用简单叠加法原理作内力叠加计算，钢管砼也是用内力叠加法计算，复合外包的钢筋砼采用钢筋砼方法计算，钢管、钢筋、内填和外包砼材料取各自特定的强度和安全系数，采用钢管砼和钢筋砼的两种计算内力进行叠加，方法简单，物理概念简明直观。（3）复合钢管砼适合用于杆件结构，也适合用于桁架结构，采用劲性钢管砼骨架实现了钢筋砼和预