市政•交通•水利工程设计Municipal 'Traffic • Waler Resources Engineering Design脱空对钢管混凝土拱桥空间稳定性的影响分析Analysis on the Influence of Void on the Spatial Stability of the Concrete-Filled SteelTube Arch Bridge傅根根，魏港，欧伟，黄汝宙（广西壮族自治区建筑工程质量检测中心,南宁530005）FU Gen-gen, WEI Gang, OU Wei, HUANG Ru-zhou(Guangxi Autonomous Region Construction Quality Testing Center, Nanning 530005, China)【摘 要】论文以某钢管混凝土柔性系杆拱桥为背景，建立有限元模型，探究了脱空率、脱空段长度、含钢率和脱空位置等重要参数对钢管混凝土拱桥空间稳定性的影响.研究结论得出：脱空对钢管混凝土拱桥的空间稳定性有一定的影响，且随着脱空率（脱空高度）和脱空段长度的增加，桥梁稳定性下降的幅度越大;含钢率对钢管混凝土拱桥的空间稳定性影响较大，且含钢率越高时，脱空对稳定性的影响会越小；在脱空长度相等的前提下,拱脚脱空对桥梁稳定性的影响比拱顶脱空的够响更大，[Abstract]This paper takes a flexible-tied concrete-filled steel tube arch bridge as an example to establish the finite element model. Theeffects ofvoid ratio, void length, steel content and void location on the spatial stability of concrete-filled steel tube arch bridge are investigated.The conclusions are as follows: void has certain influence on the spatial stability ofconcrete filled steel tube arch bridge, and with the increase ofvoid ratio (void height) and length ofvoid section, the decrease ofbridge stability is greater, and steel ratio has greater influence on the spatialstability ofconcrete filled steel tube arch bridge, and the higher the steel ratio, the small er the influence of void on the stability, on the premise ofthe same length ofvoid length, the influence ofarch foot void on bridge stability is greater than that ofvault void.【关键词】脱空；钢管混凝土拱桥;空间稳定性;有限元分析[Keywords ] void; concrete-filled steel tube arch bridge; spatial stability; finite element analysis【中图分类号】U488.22【文献标志码】A
【文章编号)1007-9467 (2019) 05-0109-03[DOI] 10.13616/j.cnki.gcjsysj,2019.05.0391引言钢管混凝土拱桥具有良好的力学性能，拱肋以受压为主，
非质量原因引起钢管与混凝土之间黏结力丧失，脱空空隙厚
度一般不大且分布均匀，以拱顶截面出现较多，拱脚截面极
少。无论是哪种形式的脱空，均会不同程度地影响钢管混凝土
钢管对管内混凝土具有套箍作用，且管内混凝土对钢管的内
的承载力和稳定性。向变形又起到阻止作用，钢管混凝土拱桥的承载力能够得到
我国学者对钢管混凝土拱桥脱空问题做了一定的研究.
明显提高。然而，工程实践表明,我国钢管混凝土拱桥大量存
但都局限于特定的工程背景。刘龙探究了不同脱空率、含钢率
在脱空现象，指钢管与核心混凝土在界面处分离开来或者是
及桁架高度对脱空后拱桥的受力影响，认为脱空会降低拱桥
核心混凝土内部存在空洞、不密实等现象叫脱空现象分2
的稳定安全系数；李自林等人通过有限元数值分析研究了脱
种形式叫一种是由于施工质量问题.导致钢管与混凝土之间
空位置、内倾角、脱空率对拱桥整体稳定性的影响；杨玲通过
产生较大程度的脱离;另一种是由于混凝土收缩、温度变化等建立有限元模型分析了不同拱顶脱空范围和不同加载方式对
【作者简介】傅根根（19-）,男,江西新余人，工程师,从事桥梁工程
脱空后钢管混凝土拱桥稳定性的影响程度。检测与监测研究。本文以一单跨下承式钢管混凝土柔性系杆拱桥为背景，
109工程建设与设计Construction& Design ForProject采用MIDAS分析软件建立有限元模型，探讨脱空率、脱空段 计算过程中不考虑混凝土受拉的本构关系。长度、含钢率和脱空位置等重要参数对钢管混凝土拱桥空间 3.1.3钢管混擬土稳定性的影响，对运营中的钢管混凝土拱桥承载能力评定有
本文按文献⑵的规定，采用换算材料法来模拟钢管与混
一定的参考价值。凝土共同受力作用,即将混凝土和钢管换算成一种材料，取钢 2工程背景材(或混凝土)作为标准材料,再将混凝土 (或钢材)弹性模量
与标准材料弹性模量的比值得到组合截面的几何特性和刚
桥梁为单跨下承式钢管混凝土柔性系杆拱桥，拱肋采用 度。换算材料法不考虑钢管对混凝土的套箍作用及钢管与混
悬链线无较拱,计算跨径厶=65m,桥宽26m，矢高> 13.0m,矢
凝土之间的黏结力，主要适用于线弹性分析，用于分析钢管混
跨比別E/5,拱轴系数m=1.168.2条拱肋之间的横向中距为
凝土拱桥的空间弹性稳定性是可行的且偏于安全的。18.2m;拱肋截面由上、下两根钢管、中部用钢板焊接组成哑铃 钢管混凝土拱肋截面整体压缩刚度(E/O*与(E/)*弯曲 形截面，截面总高为2.Im,钢管和中部钢板内部灌注C50微
刚度的表达式为：膨胀混凝土；主拱肋钢管外径为900mm.管壁厚16mm,腹部
(£?!)”=£ 人+& 九
(3)钢板厚16mm,如图1所示。(E/)*=EJ“+0.6EJ“
(4)式中为拱肋截面钢材面积;4“为拱肋截面
7100混凝土面积;人为钢材截面惯性矩;人为混凝
土截面惯性矩。对于钢管混凝土结构的刚度，压
缩刚度基本不考虑对混凝土刚度的折减，而弯
曲刚度考虑到混凝土开裂的可能，偏安全考虑, 对混凝土部分的弯曲刚度取0.6的折减系数。b拱肋横断面3. 2有限元模型本文采用MIDAS有限元软件对桥梁进行建模分析，拱
3脱空模拟分析理论肋、纵梁和横梁采用梁单元模拟,系杆和吊杆采用桁架单元模 3. 1材料本构关系拟;脱空位置采用双单元法建模,即钢管与混凝土在同一位置
3.1.1钢管分别建立2个单元，一个钢管单元和一个混凝土单元，均采用
钢材采用理想的弹塑性本构关系.其表达式为：梁单元模拟，钢管采用钢管的本构关系，混凝土采用混凝土的
本构关系。模型如图2所示。fy ⑴式中,£为钢材弹性模量;为钢材达到屈服强度之前的应变
值适为钢材的实际应变值;y;为钢材的屈服强度心为钢材屈 服强度对应的应变值;氐为钢材的极限应变值。3.1.2混凝土混凝土受压的应力-应变关系按规定取用，其表达式为：图2桥梁计算模型g〔 1-(I 1 一^-珈 |，
£实际工程中，一般采用脱空率来表征钢管混凝土拱桥的 为混凝土应力达到/时对应的应变值;久为正截面的混凝土脱空程度，拱肋脱空率为钢管内空腔面积所占钢管内面积的
极限应变值。由于钢管混凝土拱肋中的混凝土一般为受压，在 百分率。拱肋脱空示意图如图3所示。11()市政•交通•水利工程设计Municipal - Traffic • Waler Resources Engineering Design应的含钢率分别为4.60% .7.50% ,9.52%,计算在恒载+风荷
载+汽车活载偏载作用下拱桥的空间稳定系数特征值，计算结 果如表2所示。表2不同脱空率及含钢率下拱肋的空间稳定系数特征值脱空率7）/% -含钢率0.4.60%7.50%9.52%06.7907.3&05856.7857.6388.055106.784&O53图3拱肋脱空示意图7.630206.7737.616&048拱肋截面脱空率计算推导公式如下：306.7487.600&044由分析数据可知，当含钢率从4.60%增加到7.50%时,含
arccos(y------(r-h) P-fr-h)2钢率增加了 2.90%,而稳定性系数提高了 12.56%;当含钢率从
F一180°TTr2(5)7.50%增加到9.52%时，含钢率增加了 2.02%,而稳定性系数只
式中5为脱空率皿空为混凝土脱空面积;r为拱肋钢管内径; 提高了 5.43%。含钢率对钢管混凝土拱桥的空间稳定性影响 h为脱空层厚度。较大,且含钢率越高,脱空对结构稳定性的影响会越小。因此,
为研究脱空率对钢管混凝土拱桥空间稳定性的影响，对
钢管混凝土拱桥在设计阶段选择合理的含钢率不仅能确保结
脱空率为0% ,5%、10%、20%、30%的拱桥模型进行数值分析,构刚度和稳定性，还能减弱脱空的影响。计算在恒载+风荷载+汽车活载偏载作用下拱桥的前五阶稳定4. 3脱空位置影响分析系数特征值,计算结果见表lo在实际工程中，由于施工质量和养护环境的不同，钢管混表1不同脱空率的空间稳定系数特征值凝土拱肋的脱空位置是随机的，而且是无规律的。为考虑拱肋脱空高脱空率脱空度/mm /%位置第一阶第二阶第三阶第四阶第五阶脱空位置的变化对桥梁结构稳定性的影响,本文随机模拟了 4007.37.810.712.17215.265种脱空情况,对钢管混凝土拱桥的空间稳定性进行数值分析,拱顶855L/87.6387.85710.212.14815.258计算结果如表3所示。全拱肋7.6047.79710.86812.09215.087表3不同脱空位置下拱肋的空间稳定特征值拱顶13510L/87.6307.84810.88512.11915.250全拱肋7.5817.74810.83811.99314.937拱顶220
20
L/87.6167.83510.86612.01815.238全拱肋7.4657.56610.75011.65014.434拱顶29530
L/87.6007.81910.85411.87315.227全拱肋7.2827.30910.63711」8013.758注:厶为拱桥跨径。工况二单侧拱顶由计算结果可知，脱空对钢管混凝土拱桥的空间稳定性
L/4
7.50107.622有一定的影响，且随着脱空率（脱空高度）和脱空段长度的增
加，桥梁稳定性降低的幅度也越大。另外，拱顶脱空i/8时结构
稳定性下降幅度较小,由此可知,局部脱空对本桥的空间稳定 工况三双侧拱脚厶/87.50107.548性影响较小。4. 2含钢率影响分析含钢率是指钢管的面积与核心混凝土面积的比值，即風=
匚况四单侧拱脚AJArO本桥的含钢率为7.50%,假定哑铃型拱肋的肋板厚度不 L/S7.50107.578变,通过改变上、下弦拱肋的核心混凝土半径来实现含钢率的
变化，当核心混凝土半径分别」为440mm ,434mm ,430mm时，对（下转第117页）111_____________市政•交通•水利工程设计Municipal • Traffic • Waler Resources Engineering Design
部门的压力。态度、管理水平进行调查,了解社会对行业的满意度,了解市
4. 3建立健全水环境治理的法规体系民的关心点和建议，并纳入到下一步的工作计划中。虽然在国家层面有《中华人民共和国防洪法》《城市排水
4. 6建立长效的资金拨付机制与污水处理条例》等法律法规，但是对于阜阳市而言缺少地方
市区内排水设施的改造、建设、应急和抢险等经费计划和
性的法律法规，没有能够结合国家的法律制定有当地特色的 调度使用应该建立长效资金的拨付机制，按照轻重缓急安排
细则条例，有些规定内容不具体,可操作性较差，在水环境的
资金的使用。管理和治理方面无法做到有法可依，处罚的依据不明确.执法 5结语力度不大。城市市区水环境的质量直接关系到居民的生活质量和城
4. 4形成科学有效的管理机制市工业的可持续发展，由于城市的快速发展和排水设施的历
科学的管理机制包括:完善的城市排水许可制度、加强属
史遗留问题，我国城市市区的水环境问题一直无法得到良好
地管理、严格按照行政审批制度赋予的权限建设、对建设项冃
的治理。对于市区水环境的治理应根据城市自身的发展情况
跟踪式管理、利用好媒体和。具体来讲就是明确市、区各
和排水现状制定科学、长远的规划，完善相关的法律和法规,
级的职责和权限，建立排水设施建设的技术资料、排水户的信 加大的执行力度,不断地提升城市水环境的承载能力:息档案库，明确市区内的排水现状和管理难点,提高管理的效
db【参考文献】率，营造良好的环境。[1】郭焕庭.国外流域水污染治理经验及对我们的启示山.环境保护，
4. 5建立城市排水管理考核机制2001（8）:39-40.根据法律法规明确水环境的监管标准、要求和程序.建立
【2】李绪谦，杨珂明，朱丹.城市水环境“红黄绿”分区整治规划的方法
考核制度和相应的奖惩办法,实施定期量彳匕考核制度。将排水 研究——以长春为例[J].世界地质,2000. 19（2）:167-171.行政审批、应急处理和设施设备维护方面的工作都纳入到日
常工作的考核中。也可以委托第三方机构对排水单位的服务【收稿日期】2019-02-22（上接第111页）2） 含钢率对钢管混凝土拱桥的空间稳定性影响较大,且
由表3数据得出，在脱空长度相等的前提下，拱脚脱空对
含钢率越高,脱空对结构稳定性的影响会越小。实际工程中,
桥梁结构稳定性的影响比拱顶脱空更大.这是由于拱脚处的 钢管混凝土拱桥选择合理的含钢率不仅能确保结构刚度和稳 轴力最大，脱空后核心混凝土无套箍作用会发生提前失稳，从
定性,还能减弱脱空的影响。而降低了拱桥的稳定性。在模拟单侧拱肋脱空时，拱肋相当于
3） 在脱空长度相等的前提下，拱脚脱空对桥梁结构稳定
非对称结构.拱顶单侧脱空比双侧脱空的稳定性略有降低.而
性的影响比拱顶脱空大，这是由于拱脚处的轴力最大，脱空后
拱脚单侧脱空较双侧脱空的稳定性有所提高。核心混凝土无套箍作用会发生提前失稳，从而降低了拱桥的
5结论稳定性。【参考文献】本文通过建立有限元计算模型,探讨了脱空率、含钢率和
【11林春姣.郑皆连，秦荣.钢管混凝土拱肋混凝土脱空研究综述[J].中
脱空位置等重要参数对钢管混凝土拱桥空间稳定性的影响，
外公路,2005.24（6）:54-5&研究得出如下结论：[2]GB 50923—2013钢管混凝土拱桥技术规范[S].1）脱空对钢管混凝土拱桥的空间稳定性有一定的影响.
且随着脱空率（脱空高度）和脱空段长度的增加,桥梁稳定性
降低的幅度越大。【收稿日期12019-03-20117
