钢管混凝土节点内栓钉传力机理及对桁拱受力性能影响研究

发布时间：2020-08-15 09:27

【摘要】：钢管混凝土作为一种组合结构,其优越性在于钢管与核心混凝土能共同作用并提高整体承载能力,在实际工程中得到了广泛的应用。然而,由于温差效应、核心混凝土收缩以及施工质量等原因,钢管与核心混凝土的界面存在不同程度的脱粘,影响了二者的协同作用。对于钢管混凝土桁拱,脱粘使得腹杆内力无法传递给核心混凝土,严重影响其受力性能。为此,通过在节点处弦管内壁焊接栓钉(内栓钉),以解决脱粘所造成的节点传力问题。本文通过理论计算、试验及有限元分析,探讨钢管混凝土节点内栓钉传力机理及对桁拱受力性能影响,主要研究内容和结论如下:(1)对钢管混凝土脱粘产生原因及防治措施进行了总结分析,探讨了脱粘对钢管混凝土单圆管拱肋和桁式拱肋的影响。结果表明,钢管与核心混凝土的脱粘是难以避免的,温差效应及核心混凝土的收缩是导致脱粘的主要原因,单独的轴向压力作用基本不会引起脱粘。脱粘对桁式拱肋的影响比单圆管拱肋大。(2)开展了弦杆有无脱粘及是否设置内栓钉的钢管混凝土节点传力性能对比试验研究。结果表明,当脱粘出现后,腹杆内力无法顺利地传递给管内混凝土,脱粘对节点附近受力影响较大;在设置内栓钉后,无论弦杆是否出现脱粘,内栓钉都能将腹杆内力传递给管内混凝土,且对节点以下一倍腹杆直径范围内的影响最大;内栓钉的传力效果要优于完全粘结的传力效果;腹杆与弦杆管径比对内栓钉布置范围影响很小。(3)进行了内栓钉传力机理分析,结果表明,在弦杆轴向,弦杆钢管、内栓钉和管内混凝土主要受力区域集中在节点中心以上200mm及节点中心以下600mm范围内,弦杆与腹杆相交处受力较大;在弦杆环向,主要受力区域在节点中心-60°～60°范围内。(4)探讨了钢管混凝土节点内栓钉的设置方法,建议在弦杆环向,内栓钉主要均匀布置在节点中心-60°～60°范围内,在该范围外可以不予布置;在弦杆轴向,内栓钉布置在节点中心以上1倍腹杆直径及节点中心以下2倍腹杆直径范围内,且弦杆与腹杆相交处宜设置内栓钉。(5)以四川合江长江公路大桥为背景工程,建立了考虑钢管混凝土脱粘、设置内栓钉的有限元计算模型,分析了不同脱粘程度及设置内栓钉对其力学性能的影响。结果表明,拱肋脱粘长度对钢管与核心混凝土内力、桁拱变形和极限承载力的影响较大,对各弦杆的总轴力几乎没有影响,随着脱粘长度的增加,上下弦杆总弯矩分布更不均匀;在半跨均布荷载作用下,当脱粘位置位于荷载所在半拱的四分点及拱肋拱顶处时,脱粘对桁拱变形和极限承载力的影响较大。在桁拱脱粘范围内节点处设置内栓钉后,与完全粘结相比,桁拱刚度和极限承载力均有所提高,且设置内栓钉的节点数目越多,其提高程度越大。
【学位授予单位】：福州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U441
【图文】：

翻管,脱粘

管混凝土节点内栓钉传力机理及对桁拱受力性能影响研第一章绪论逡逑及意义逡逑（Ｃｏｎｃｒｅｔｅ－Ｆｉｌｌｅｄ邋Ｓｔｅｅｌ邋Ｔｕｂｅ，简称ＣＦＳＴ）是一种组能好，且与纯钢结构相比，能大大减少钢材的设施建设中，尤其是大跨度拱桥中［７＿９］。虽然钢管用，但其作为一种组合结构，两种材料之间的界响其组合性能的重要因素［１Ｑ－１６］，如图１－１所示。逡逑

示意图,栓钉,示意图,桁拱

混、荷载用以及工工不合理等均会引起钢管混凝土脱粘。目前，逡逑针对不同原因产生的脱粘，专家学者均提出了一些相应的防治措施。比如使用隔热逡逑材料来降低钢管与管内混凝土的温差［２（）］，但该措施工作量较大，且无法长期发挥逡逑作用；使用收缩较小的混凝土材料或添加膨胀剂来防治因管内混凝土收缩导致的逡逑脱粘［２４］０１，但是，对混凝土材料而言，其收缩作用无法消除，而且膨胀剂的剂量也逡逑难以精确；涂光亚分析了内法兰构造［２３］对限制钢管与混凝土间的相对滑移，使二逡逑者共同受力的作用效果，但该构造沿拱肋轴向的布置数量和范围有限，并不能完全逡逑起到界面剪力传递的作用，尤其在桁拱节点处的传力效率较低。逡逑针对以上各种措施的不足，为使桁拱节点处钢管所受切向力顺利地传递给管逡逑内混凝土，达到理论计算模型与实际受力相吻合的目的，文献［２１］提出了在桁拱节逡逑点弦管内壁焊接栓钉（内栓钉）的构造措施，如图１－３所示。内栓钉能够在钢管混逡逑凝土产生脱粘后，使得桁拱节点处的腹杆内力经弦杆钢管传递到管内混凝土，混凝逡逑土与钢管可以协同工作。虽然这种构造措施已经应用于两座大跨径的钢管混凝土逡逑拱桥（３６０ｍ跨径的贵州大小井大桥以及５０７ｍ主跨径的四川合江长江公路大桥），逡逑且也有一些设计和构造建议但针对其应用的研究还不够充分，尤其对于内逡逑栓钉的传力机理仍没有明确，设置内栓钉对桁拱的受力性能影响也有待研究。逡逑：

受力图,核心混凝土,温度作用,受力图

逦0２邋－ｒ，邋）邋ｒ逡逑（１）核心混凝土受力分析逡逑由图２－１可知，在由钢管与核心混凝土之间的温差所产生的界面均布拉应力ｐ逡逑作用下，对于核心混凝土，有［＝０，ｒ２＝ａ，ｉ＝０，邋％＝－ｐ，根据式（２－１）和逡逑式（２－２），核心混凝土的应力为：逡逑0■／邋＝邋ｐ逦（２－３）逡逑0■／邋＝邋ｐ逦（２－４）逡逑根据文献［４７］，平面应变问题中的本构方程为：逡逑Ｉ寻士）逡逑丨＝辛（？－＃）逦（２－５）逡逑２（１邋＋邋Ｍ）逡逑设核心混凝土的弹性模量为尽，泊松比为从，根据式（２－５），有：逡逑Ｓｒ逦￣邋￣￣－「从逦（２－６）逡逑Ｅｃ逦１＿从逡逑９逡

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