拱肋混凝土脱空对钢管混凝土拱桥静力性能的影响

Concrete Filled Steel Tube (CFST) technology is more popular in bridge construction. CFST arch bridges become a favorite choice of engineers. Because of temperature load and shrinkage of the core concrete, most of CFST arch bridges service with separation of CFST arch rib. Furthermore, separation problems will be more serious with the increasing term of service. Separation defects in CFST arch bridge are common and complex, which heavily influence the cooperation of steel tube and core concrete. The former calculation theories and designing methods are unreliable. Static behavior of CFST arch rib with separation defects will be analyzed with both experimental study and theoretical analysis. Influences of the following factors on CFST arch bridges static behavior will be obtained: separation height, separation location and range, section type of arch rib. Research will be focused on stiffness, stability and bearing capacity, deformation behavior of CFST arch rib. Put forward the simplified model of separation arch rib for the analysis of CFST arch bridges with deferent separation. Analysis and design methods of CFST arch rib will be improved. Transformations from basic behavior of arch rib to practical application come true.

：钢管混凝土技术被广泛应用于桥梁工程，深受土木工程业界人士青睐。但由于温度荷载、混凝土收缩和徐变等原因导致大多数钢管混凝土拱桥成桥后出现不同程度的脱 空，且脱空随桥梁运营时间的增长日渐严重。脱空机理复杂不同于单纯的钢管与核心混凝土 无粘结，且脱空的存在影响了钢管与核心混凝土的共同工作，原有基于二者共同工作的计算 理论与设计方法是否适用受到质疑。本项目采用试验与理论相结合的方法，主要研究具有不 同脱空缺陷的钢管混凝土拱肋在面内、外复杂荷载工况作用下的静力性能；分析拱肋截面混 凝土脱空高度、拱肋脱空位置及范围对多种常用截面形式的钢管混凝土拱肋刚度、稳定性、 承载力、变形特征及破坏模式的影响；提出可用于脱空钢管混凝土拱桥分析的脱空拱肋简化 计算模型；建立脱空钢管混凝土拱桥的分析与设计方法，实现由拱肋基本性能研究到实践的转化。

钢管混凝土因其优越的结构性能在我国广泛应用于拱桥领域且发展迅速，最大跨径已超500米。拱肋核心混凝土脱空是钢管混凝土拱桥特有的普遍存在的问题，脱空现象成因多样、机理复杂、影响因素众多。国内现行设计规程及规范对拱肋脱空的相关规定旨在施工防治，无法考虑不同形式及程度的脱空对稳定承载力的影响；相关研究多集中于脱空钢管混凝土柱或受弯构件的力学性能分析，研究成果无法直接应用于钢管混凝土拱，且缺乏脱空钢管混凝土拱肋的试验研究。本项目主要研究内容及结果如下：.（1）通过脱空拱肋的试验研究，得到单圆管钢管混凝土抛物线拱肋不同加载工况下的平面内失稳破坏模式及全过程荷载-位移关系，明确了其失稳破坏机理。试件荷载-位移关系曲线可分为弹性阶段、弹塑性阶段和失稳破坏三个阶段。试验对核心混凝土脱空的拱肋试件的制作和施工成功满足试验设计的要求。.（2）通过面内荷载作用下脱空钢管混凝土拱肋的大量有限元分析，得到拱肋内力分布规律及矢跨比、含钢率、长细比等主要影响参数与脱空对钢管混凝土拱肋面内稳定承载力的影响，提出考虑脱空的钢管混凝土拱肋面内承载力设计公式，通过与有限元结果对比验证了公式的可靠性。.（3）通过对全跨均布荷载、半跨均布荷载作用下三种拱轴线形式钢管混凝土无铰拱有限元分析，在验证模型可靠性的基础上，对钢管混凝土无铰拱面外稳定性能展开研究；提出脱空钢管混凝土拱肋面外稳定系数计算公式以及脱空钢管混凝土拱面外稳定性设计方法，在所研究参数范围内，设计公式与有限元结果吻合良好。.（4）通过对桁式拱肋无风撑钢管混凝土拱桥的有限元分析，研究了不同荷载工况作用下，矢跨比、含钢率、拱肋长细比、拱肋截面形式及尺寸等参数对脱空钢管混凝土拱桥稳定承载力的影响。所研究的参数范围内，拱肋核心混凝土脱空会造成钢管混凝土拱桥稳定承载力一定程度的降低，降低幅度最大可达20%，设计中应予以重视。