界面狀況對啞鈴型鋼管混凝土拱承載能力的影響

劉愛榮，肖博政，黃永輝，禹奇才

（1.廣州大學－淡江大學工程結(jié)構(gòu)災害與控制聯(lián)合研究中心，廣東廣州 510006；2.廣東高校結(jié)構(gòu)安全與

健康監(jiān)測工程技術(shù)研究中心，廣東廣州 510006；3.廣州市結(jié)構(gòu)安全與健康監(jiān)測重點實驗室，廣東廣州 510006）

界面狀況對啞鈴型鋼管混凝土拱承載能力的影響

劉愛榮，肖博政，黃永輝，禹奇才

（1.廣州大學－淡江大學工程結(jié)構(gòu)災害與控制聯(lián)合研究中心，廣東廣州 510006；2.廣東高校結(jié)構(gòu)安全與

健康監(jiān)測工程技術(shù)研究中心，廣東廣州 510006；3.廣州市結(jié)構(gòu)安全與健康監(jiān)測重點實驗室，廣東廣州 510006）

基于有限元數(shù)值分析方法研究了啞鈴型鋼管混凝土（CFST）拱在各種界面狀況下的承載能力變化規(guī)律，探討了界面脫粘以及高度脫空率對啞鈴型CFST拱承載能力的影響.研究結(jié)果表明：①界面脫粘對啞鈴型CFST拱的承載能力影響較大，隨著界面摩擦系數(shù)的降低，承載能力呈降低趨勢；②當脫空率較小時，啞鈴型CFST拱的極限承載能力下降幅度并不明顯，但當脫空率超過20%以后，極限承載能力有一定程度的下降，約為完全粘結(jié)時極限承載能力的14%.研究結(jié)論可為啞鈴型CFST拱的設(shè)計和養(yǎng)護提供一定的參考價值.

啞鈴型鋼管混凝土拱；界面狀況；脫空；承載能力

鋼管混凝土拱橋具有承載力高、塑性與韌性好、施工方便、耐火性能強、經(jīng)濟效益高等優(yōu)點，在我國工程建設(shè)中具有廣闊的應(yīng)用前景.然而國內(nèi)早期興建的鋼管混凝土拱橋已有相當一部分在使用過程中出現(xiàn)了不同程度的病害，其中最主要的病害之一是混凝土脫空.鋼管混凝土的脫空，也稱為脫粘，是指核心混凝土內(nèi)部出現(xiàn)空洞、不密實或者鋼管與混凝土在界面分離等現(xiàn)象.鐘善桐［1］認為鋼管混凝土拱的脫空問題包括2大類：①鋼管與混凝土界面脫離，是鋼管混凝土構(gòu)件的主要脫空形式.鋼管與混凝土界面脫離可以發(fā)生在整個拱肋或其中某幾段，其脫離的寬度因核心混凝土性能不同而不同.②拱肋內(nèi)部混凝土不密實或是有空洞.比較常見的有拱腳處混凝土密實度差、拱頂處混凝土產(chǎn)生空洞及拱肋混凝土密實度不均勻，或是出現(xiàn)分層離析等；泵送混凝土不到位、或者混凝土攪拌質(zhì)量未達到要求都會導致核心混凝土不密實或內(nèi)部產(chǎn)生空洞.

目前國內(nèi)外已有不少學者針對處于軸壓和偏壓荷載作用下鋼管混凝土的粘結(jié)狀況開展了大量的研究和分析.楊世聰?shù)龋?］完成了鋼管混凝土構(gòu)件的模型試驗，研究表明核心混凝土的脫空對鋼管混凝土承載能力影響較大.黃永輝［3］以三山西大橋、丫髻沙大橋及桂江大橋為工程研究背景，分析了混凝土脫空對桁式及單圓管鋼管混凝土拱橋極限承載力的影響.涂光亞［4］提出了鋼管混凝土拱橋在完全脫粘條件下的計算模型，認為鋼管混凝土拱橋?qū)嶋H受力性能應(yīng)該介于完全脫粘與完全粘結(jié)之間.以上研究均以假定截面未脫空部位的鋼管與混凝土的界面完美粘結(jié)為前提，并未考慮鋼管與核心混凝土界面損傷及粘結(jié)性能退化對其承載能力的影響，并且研究對象大都為圓截面鋼管混凝土構(gòu)件，有關(guān)界面粘脫狀況對啞鈴型鋼管混凝土拱承載能力的影響研究尚少有報道.

本文基于有限元數(shù)值分析方法，分析了啞鈴型CGST拱在各種界面脫粘條件以及高脫空率下的承載力變化規(guī)律，分析了高度脫空率以及界面脫粘對啞鈴型拱承載能力的影響，以期更深入、更全面、更透徹地了解界面粘結(jié)狀況對CFST拱的影響，排除工程中存在的安全隱患.

1 計算分析模型

1.1 有限元模型

本文采用ABAQUS軟件建立了某啞鈴型CFST拱試驗模型的非線性有限元計算模型，見圖1.模型拱跨徑為8.50 m，矢高1.88 m，拱軸線采用懸鏈線，拱軸系數(shù)m＝1.347.鋼材屈服強度fy＝378 MPa，極限抗拉強度fu＝576 MPa，彈性模量Es＝210 GPa；混凝土立方體抗壓強度fcu＝39.8 MPa，混凝土彈性模量Ec＝27.3 GPa.

鋼管、鋼管連接板均采用四節(jié)點縮減積分格式的殼單元（S4R），為了使混凝土的網(wǎng)格劃分與鋼管保持一致以滿足精度要求，本文采用了6節(jié)點完全積分三維實體單元C3D6模擬鋼管內(nèi)核心混凝土.鋼管與混凝土之間采用了接觸單元以模擬二者的相對變形.在建立接觸協(xié)調(diào)條件時采用擴張的拉格朗日法，鋼管與混凝土之間采用硬接觸，法向方向的接觸剛度為系統(tǒng)默認剛度，界面沿切向方向采用庫侖摩擦模型，運用牛頓迭代增量法進行非線性求解.

在設(shè)置邊界條件時，將兩拱腳完全約束.另外，為了防止計算時發(fā)生局部大變形對計算結(jié)果產(chǎn)生影響，本文采用耦合加載的方式，即將加載點處的部分單元表面與參考點之間建立耦合約束，采用位移加載的方式加載，這種加載方式有助于控制荷載下降段，同時能加快收斂.外荷載的加載方式分別為在L／4點處加集中力，以及在L／2點處加集中力2種.

圖1 啞鈴型鋼管混凝土拱有限元計算模型Fig.1 FEM of dumbbell-shaped CFST arch

1.2 材料本構(gòu)關(guān)系

對于混凝土受壓應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系采用ABAQUS軟件提供的塑性損傷本構(gòu)模型（Concrete Plastic Damage），該模型是基于拉壓各向同性的連續(xù)性損傷模型，能較好的模擬混凝土開裂后的行為.對于受拉區(qū)混凝土本構(gòu)關(guān)系，采用直接輸入斷裂能的方法來定義混凝土單軸受拉行為，其應(yīng)力－斷裂能關(guān)系一般具有更好的計算收斂性［5］，而當混凝土開裂退出工作面后，其拉應(yīng)力－裂縫寬度關(guān)系采用文獻［6］中的雙折線模型.考慮到鋼管對核心混凝土受拉區(qū)的套箍效應(yīng)，混凝土的開裂拉應(yīng)力峰值σt按下式計算［7］：

混凝土的泊松比取值為0.2，而彈性階段初始彈性模量則按下式取值［5］：

式中，σc，e0＝1／3fc．另外，尚須定義剪脹角ψ、流動勢偏移量e、雙軸受壓與單軸受壓極限強度比fb0／f′c、不變量應(yīng)力比kc、粘滯系數(shù)等參數(shù)．本文在對剪脹角ψ進行取值時，依據(jù)參考文獻［5］的建議，認為剪脹角的大小與套箍系數(shù)相關(guān)，采用下式進行計算：

雙軸受壓與單軸受壓極限強度比fb0／f′c的取值按下式進行計算［8］：

粘滯系數(shù)的取值對計算的收斂有較大的影響，在保證計算精確的前提下，粘性系數(shù)應(yīng)盡量取小值，然而粘性系數(shù)取值越小，模型計算收斂越困難.本文通過大量的試算，最終發(fā)現(xiàn)粘性系數(shù)的取值越大，構(gòu)件的極限承載力越大，但其提高的幅度并不明顯，而收斂能力卻大大降低，因此，在不影響精確度的同時又能使計算容易收斂，最終粘性系數(shù)的取值定為0.05.

對于鋼材本構(gòu)關(guān)系，本文采用文獻［5］中簡化的三折線模型，即常用的VON MISES屈服準則以及等向強化模型.

2 鋼管混凝土拱計算結(jié)果及分析

2.1 界面脫粘的影響

CFST拱實際的受力性能應(yīng)該介于完全粘結(jié)和完全脫粘之間.這種極限情況滿足3個條件：①鋼管與混凝土界面沿鋼管混凝土拱肋縱向環(huán)向全部脫離；②鋼管與混凝土的徑向脫離的高度為0，即鋼管與核心混凝土雖然脫離但完全密貼，不考慮由于核心混凝土脫離產(chǎn)生的幾何特性的改變；③鋼管與混凝土之間的摩擦為0，即鋼管與混凝土只傳遞徑向力，但緊貼界面不產(chǎn)生摩擦力.

本文基于以上3個假設(shè)條件，進行啞鈴型CFST完全脫粘臨界狀態(tài)下的力學性能分析.通過改變接觸界面的摩擦系數(shù)來模擬脫粘程度對鋼管混凝土拱承載能力的影響，接觸界面間的摩擦系數(shù)分別取值為0.60，0.25，0（表1）.圖2～3給出了啞鈴型CFST拱在不同摩擦系數(shù)條件下的荷載－位移關(guān)系曲線對比圖，從圖2～3中可見，界面脫粘對啞鈴型CFST拱的承載力影響較大，隨著摩擦系數(shù)的減小，結(jié)構(gòu)承載能力呈降低趨勢.對于跨中加載情況，相比完全粘結(jié)、摩擦系數(shù)為0（處于滑移狀態(tài)）時的承載能力降低約22%；對于四分點加載情況，承載能力降低約20%.

圖2 跨中加載的荷載－位移曲線關(guān)系對比Fig.2 The comparison of load-displacement curves under mid-span load

圖3 1／4點加載的荷載－位移曲線關(guān)系對比Fig.3 The comparison of load-displacement curves under the load on the One-fourth point

表1 不同摩擦系數(shù)模型極限承載力Table 1 Ultimate bearing capacity of the model with different friction coefficientskN

2.2 高度脫空率的影響

由于考慮高度脫空率的模型較難收斂且計算量較大，因此，本文只選取了高度脫空率分別為0、20%、30%、50%、100%等5種情況，對處于跨中加載條件下的啞鈴型拱模型進行了有限元計算分析，圖4給出了不同高度脫空率的荷載－位移曲線.

圖4 不同脫空率的荷載－位移曲線Fig.4 The load-displacement curves of different separation rates

從荷載－位移曲線中可見，完全脫空時的極限荷載值約為完全粘結(jié)時承載力的70%，由此表明，鋼管內(nèi)的混凝土實際所承擔的荷載比例較小，因此，當脫空率較小時，啞鈴型CFST拱的極限承載能力下降幅度并不明顯，甚至可以忽略其影響，只有當脫空率超過20%以后，其極限承載能力才有一定程度的下降，但下降的幅度并不大，約為完全粘結(jié)時的極限承載能力的14%.

2.3 鋼材屈服強度

圖5給出了鋼材不同屈服強度下的荷載－位移曲線，由該圖可知，鋼材屈服強度對啞鈴型CFST拱的承載力有積極影響，不同的鋼材屈服強度其結(jié)構(gòu)整體承載力提高程度從30%～50%不等.

圖5 不同鋼材屈服強度下荷載－位移曲線Fig.5 The load-displacement curves under different yield strength of steel

2.4 含鋼率的影響

本文通過改變鋼管厚度來模擬不同含鋼率，鋼管厚度取2 mm、4 mm、6 mm對應(yīng)的含鋼率為8%、17%、25%，圖6給出了3種情況下的荷載－位移曲線.表2給出了不同含鋼率的極限承載力計算結(jié)果.圖7、圖8為不同含鋼率下的荷載－位移曲線.

圖6 含鋼率為8%的荷載－位移曲線Fig.6 The load-displacement curves under the steel ratio of 8%

圖7 含鋼率為17%的荷載－位移曲線Fig.7 The load-displacement curves under the steel ratio of 17%

表2 不同含鋼率的極限承載力／kNTable 2 Ultimate bearing capacity of the model with different steel ratios

圖8 含鋼率為25%的荷載－位移曲線Fig.8 The load-displacement curves under the steel ratio of 25%

從表2可見含鋼率越小，界面脫粘對CFST拱的極限承載力的影響越大.

3 結(jié) 論

（1）通過對比不同摩擦系數(shù)對CFST拱承載力的影響，可知脫空對啞鈴型拱肋的影響較大，相比完全粘結(jié)、摩擦系數(shù)為0（處于滑移狀態(tài)）時的承載能力降低約22%.

（2）對于不同的加載方式，脫粘對啞鈴型CFST拱承載能力的影響規(guī)律一致，完全脫空時的極限承載能力約為完全粘結(jié)時的70%，表明鋼管內(nèi)的混凝土實際所承擔的荷載比例較小.

（3）當脫空高度小于10%時，啞鈴型CFST拱極限承載能力下降的幅度較小，可以忽略其影響，只有當脫空高度率超過20%以后，其極限承載能力才有一定程度的下降，其下降的幅度約為14%.

（4）鋼材屈服強度和含鋼率對CFST拱的承載能力也有不同程度的影響.

［1］ 鐘善桐.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)［M］.北京：清華大學出版社，2003：389-396. ZHONG S T.Concrete-filled steel tube structure［M］.Beijing：Publishing House of Tsinghua University，2003：389-396.

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Effect of interface condition on the bearing capacity of dumbbel-shaped CFST arch bridge

LIU Ai-rong，XIAO Bo-zheng，HUANG Yong-hui，YU Qi-cai

（1.Guangzhou University-Tamkang University Engineering Structure Disasters and Control Joint Research Center，Guangzhou 510006，China；2.Research Center for Structural Safety and Health Monitoring of Guangdong Education Department，Guangzhou 510006，China；3.Guangzhou Municipal Key Laboratory for Structural Safety and Health Monitoring，Guangzhou 510006，China）

The bearing capacity of dumbbell-shaped concrete filled steel tube（CFST）arch was studied under a variety of interface conditions using finite element analysis.The effects of separating gap ratio and the interface debonding on the bearing capacity of dumbbell-style CFST arch were investigated.The results show that：①the interface separation has a significant impact on the ultimate bearing capacity of dumbbell-style CFST arch；with the decreasing of friction coefficient，the bearing capacity is reduced；②the ultimate bearing capacity of the dumbbell-shaped CFST arch does not decrease remarkably when the separation gas ratio is small，however，if the separation gas ratio is over 20%，the ultimate bearing capacity will be decreased by around 14%，compared to that of the arch with fully bonded interface.Present research is valuable for the design and maintenance of dumbbell-shaped CFST arch in engineering application.

dumbbell-shaped CFST arch；interface condition；separation；bearing capacity

U 443.22；TU 375.3

A

【責任編輯：陳 鋼】

1671-4229（2015）01-0056-05

2014－12－14；

2014－12－26

國家自然科學基金資助項目（51378133，51208123）

劉愛榮（1972－），女，教授，博士.E-mail：liu－a－r＠163.com