钢管混凝土桥墩在长联矮墩连续刚构桥中的应用与研究
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摘要
近几十年来，多跨连续刚构桥以其自身的优势在我国得到广泛的应用，它是利用主墩的柔性来适应上部结构的纵向变形。由于该结构为墩梁固结体系，对温度变化、混凝土的收缩徐变、汽车制动力、水平地震力等因素产生的次内力相当敏感，而且联长越长，桥墩越低，产生的次内力也越大，对桥墩受力极为不利，甚至导致结构形式不成立。因此，连续刚构的应用在一定程度上受到了联长和墩高的制约。钢管混凝土结构是在钢管中填充素混凝土而形成的一种组合结构，它将钢材和混凝土两种材料结合起来，相互弥补对方的缺点，充分发挥各自的优点，是一种较为理想的组合型式。该结构具有承载力高，截面尺寸小、施工方便、经济效益好、塑性和韧性好、耗能能力强、抗震性能好等优点。目前，在桥梁工程中钢管混凝土结构多用于拱桥的拱肋，而用于桥墩的实例较少。
本文针对长联矮墩连续刚构桥中矮墩的受力特点，结合钢管混凝土结构的优势，提出采用钢管混凝土结构作为此类刚构桥的墩柱，以解决长联矮墩连续刚构桥中矮墩的技术难题，进一步扩大连续刚构桥的适用范围。本文对此展开相应的研究，主要内容如下：
1、介绍了钢管混凝土结构的刚度计算方法，即基于叠加理论的换算刚度和基于统一理论的组合刚度，计算了圆形和方形截面在不同钢材牌号、混凝土标号和含钢率时两种刚度的差值百分比，并分析这些参数对该差值百分比的影响，得到常用钢号及混凝土标号下两种刚度之间的误差分布范围。本文提出了“临界含钢率”，根据实际含钢率和临界含钢率的大小关系，从而可以方便快速地判定两种刚度间的相互关系以及因采用换算刚度给计算结果带来的偏差，使设计人员做到心中有数，有的放矢。
2、在假定墩底与基础固结，墩顶只允许产生水平位移而无转角的力学模式下，基于能量法和并联刚度集成理论提出了四肢钢管混凝土桥墩的抗推刚度理论公式，根据该公式对圆形和方形钢管混凝土桥墩的抗推刚度进行了比较。
3、以渭河大桥为工程背景，采用有限元软件Midas civil对钢管混凝土桥墩和钢筋混凝土桥墩进行了静力对比分析，比较两种桥墩在适应上部结构变形、结构内力分配、材料用量等方面的差异，得出钢管混凝土桥墩的抗推刚度比同等条件下钢筋混凝土桥墩的抗推刚度更小，更能适应上部结构的变形，结构受力更加均衡，材料用量更少，工程造价更低，建议可以作为长联矮墩连续刚构桥中合理的桥墩形式予以推广。对钢管混凝土桥墩的合理墩高适用范围进行了探讨，对不同墩高情况下连续刚构桥墩的组合形式提出了一些建议。
4、采用有限元软件Midas civil对钢管混凝土桥墩和钢筋混凝土桥墩分别进行了弹性反应谱分析和非线性动态时程分析，对其抗震性能进行了比较，利用XTRACT程序计算了不同轴压比下两种桥墩塑性铰区截面的弯矩－曲率曲线，得到曲率延性系数，结合时程分析计算得到的桥墩塑性铰区弯矩－转角滞回曲线，对两种桥墩的延性和耗能性进行了对比分析。结果表明，钢管混凝土桥墩可以大大降低结构的地震响应，具有更好的延性和吸能性，有利于结构抗震，可以作为高地震烈度区桥梁墩柱的理想形式。
In recent decades, multi-span continuous rigid frame bridge with its own advantages hasbeen widely used in our country, it uses the flexibility of the pier to adapt to the longitudinaldeformation of the superstructure. As a result of pier girder consolidation, structure is verysensitive to the secondary internal force which is caused by temperature change, concreteshrinkage and creep, automobile braking force, and horizontal seismic force, etc.. The longercontinuous span and the lower pier will lead to the greater secondary internal force, it isextremely unfavorable to the pier and even leads to the structural form is not established.Therefore, the application of continuous rigid frame bridge has been constrained by thecontinuous length and pier height in a certain extent. The concrete-filled steel tubularstructure is formed by a combination of plain concrete filled steel tube structure. It combinestwo materials of steel and concrete to mutually compensate for each other's shortcomings andgive full play their respective advantages, is a relatively ideal type of combination.Thestructure has the advantages of high capacity, small cross-section size, easy construction, goodeconomic returns, good ductility and toughness, strong energy consumption ability, goodseismic performance, etc. At present, in bridge engineering, the concrete-filled steel tubularstructure mostly used for arch rib of the arch bridge and few examples for the bridge piers.
For the mechanical characteristics of low pier in long span and low pier continuous rigidframe bridge, combined with the advantages of concrete filled steel tubular structure, it wasproposed as pier column of such rigid frame bridge in this paper, to solve the technicalproblems of low pier and to further expand the application scope of the continuous rigid framebridge. So corresponding researches were carried out in this paper, the main contents are asfollows:
1、Stiffness calculation methods of the concrete-filled steel tubular structure that areconversion stiffness based on the superposition theory and combined stiffness based on theunified theory were introduced. Calculation of the error between the two stiffness for roundand square section with different steel grade, concrete grade, steel ratio, and analysis of theimpact of these parameters on the error were completed, so to get the error range between the two stiffness with the commonly steel grade and concrete grade."Critical steel ratio" was putforward in this paper, according to the relationship between actual steel ratio and critical steelratio, the designers can easily and quickly determine the relationship between the twostiffness and the deviation of calculation results due to using conversion stiffness, they canaccomplish know fairly well and shoot the arrow at the target.
2、In the hypothetical mechanical mode that the end of the pier and foundation areconsolidated, the top of the pier is only allowed to produce horizontal displacement withoutangular displacement. Based on the energy method and the parallel stiffness integration theory,the theory formula of thrust stiffness of the four-columns steel tube concrete piers wasproposed, then by the formula thrust stiffness between round and square section wascompared.
3、Taking Weihe bridge as the engineering background, by the finite element softwareMidas civil, the static behaviors of the steel tube concrete piers and reinforced concrete pierswere comparatively analyzed，the two piers were compared in adapting to the upper structuraldeformation, the internal force distribution, the amount of material and other differences.Concluded that compared with the reinforced concrete piers under the same conditions, thesteel tube concrete piers had smaller thrust stiffness, better ability to adapt to the upperstructural deformation, more balanced structure force, less material consumption, and lowerproject cost, it is suggested that steel tube concrete pier can be used as reasonable pier formfor long span and low pier continuous rigid frame bridge to promote.The reasonableapplication scope of the steel tube concrete piers was discussed, and some suggestions forcombination of continuous rigid frame bridge piers under the conditions of different pierheights were proposed.
4、According to elastic response spectrum analysis and dynamic time-history analysis bythe finite element software Midas civil, the seismic performances of steel tube concrete piersand reinforced concrete piers were compared. The moment-curvature curves in plastic hingezone of two kinds of bridge piers under different ratio of axial compression stress to strengthwere calculated by XTRACT program, then the curvature ductility factors were obtained,combined with the moment-rotation hysteretic curves calculated by the time-history analysis, ductility and energy dissipation capability of two kinds of piers were comparatively analyzed.The results show that steel tube concrete piers can greatly reduce the seismic response ofstructure, and have better ductility and energy absorbing capability, they are conducive toaseismic structure and can be used as the ideal pier form in high earthquake intensity zone.
本文针对长联矮墩连续刚构桥中矮墩的受力特点，结合钢管混凝土结构的优势，提出采用钢管混凝土结构作为此类刚构桥的墩柱，以解决长联矮墩连续刚构桥中矮墩的技术难题，进一步扩大连续刚构桥的适用范围。本文对此展开相应的研究，主要内容如下：
1、介绍了钢管混凝土结构的刚度计算方法，即基于叠加理论的换算刚度和基于统一理论的组合刚度，计算了圆形和方形截面在不同钢材牌号、混凝土标号和含钢率时两种刚度的差值百分比，并分析这些参数对该差值百分比的影响，得到常用钢号及混凝土标号下两种刚度之间的误差分布范围。本文提出了“临界含钢率”，根据实际含钢率和临界含钢率的大小关系，从而可以方便快速地判定两种刚度间的相互关系以及因采用换算刚度给计算结果带来的偏差，使设计人员做到心中有数，有的放矢。
2、在假定墩底与基础固结，墩顶只允许产生水平位移而无转角的力学模式下，基于能量法和并联刚度集成理论提出了四肢钢管混凝土桥墩的抗推刚度理论公式，根据该公式对圆形和方形钢管混凝土桥墩的抗推刚度进行了比较。
3、以渭河大桥为工程背景，采用有限元软件Midas civil对钢管混凝土桥墩和钢筋混凝土桥墩进行了静力对比分析，比较两种桥墩在适应上部结构变形、结构内力分配、材料用量等方面的差异，得出钢管混凝土桥墩的抗推刚度比同等条件下钢筋混凝土桥墩的抗推刚度更小，更能适应上部结构的变形，结构受力更加均衡，材料用量更少，工程造价更低，建议可以作为长联矮墩连续刚构桥中合理的桥墩形式予以推广。对钢管混凝土桥墩的合理墩高适用范围进行了探讨，对不同墩高情况下连续刚构桥墩的组合形式提出了一些建议。
4、采用有限元软件Midas civil对钢管混凝土桥墩和钢筋混凝土桥墩分别进行了弹性反应谱分析和非线性动态时程分析，对其抗震性能进行了比较，利用XTRACT程序计算了不同轴压比下两种桥墩塑性铰区截面的弯矩－曲率曲线，得到曲率延性系数，结合时程分析计算得到的桥墩塑性铰区弯矩－转角滞回曲线，对两种桥墩的延性和耗能性进行了对比分析。结果表明，钢管混凝土桥墩可以大大降低结构的地震响应，具有更好的延性和吸能性，有利于结构抗震，可以作为高地震烈度区桥梁墩柱的理想形式。
In recent decades, multi-span continuous rigid frame bridge with its own advantages hasbeen widely used in our country, it uses the flexibility of the pier to adapt to the longitudinaldeformation of the superstructure. As a result of pier girder consolidation, structure is verysensitive to the secondary internal force which is caused by temperature change, concreteshrinkage and creep, automobile braking force, and horizontal seismic force, etc.. The longercontinuous span and the lower pier will lead to the greater secondary internal force, it isextremely unfavorable to the pier and even leads to the structural form is not established.Therefore, the application of continuous rigid frame bridge has been constrained by thecontinuous length and pier height in a certain extent. The concrete-filled steel tubularstructure is formed by a combination of plain concrete filled steel tube structure. It combinestwo materials of steel and concrete to mutually compensate for each other's shortcomings andgive full play their respective advantages, is a relatively ideal type of combination.Thestructure has the advantages of high capacity, small cross-section size, easy construction, goodeconomic returns, good ductility and toughness, strong energy consumption ability, goodseismic performance, etc. At present, in bridge engineering, the concrete-filled steel tubularstructure mostly used for arch rib of the arch bridge and few examples for the bridge piers.
For the mechanical characteristics of low pier in long span and low pier continuous rigidframe bridge, combined with the advantages of concrete filled steel tubular structure, it wasproposed as pier column of such rigid frame bridge in this paper, to solve the technicalproblems of low pier and to further expand the application scope of the continuous rigid framebridge. So corresponding researches were carried out in this paper, the main contents are asfollows:
1、Stiffness calculation methods of the concrete-filled steel tubular structure that areconversion stiffness based on the superposition theory and combined stiffness based on theunified theory were introduced. Calculation of the error between the two stiffness for roundand square section with different steel grade, concrete grade, steel ratio, and analysis of theimpact of these parameters on the error were completed, so to get the error range between the two stiffness with the commonly steel grade and concrete grade."Critical steel ratio" was putforward in this paper, according to the relationship between actual steel ratio and critical steelratio, the designers can easily and quickly determine the relationship between the twostiffness and the deviation of calculation results due to using conversion stiffness, they canaccomplish know fairly well and shoot the arrow at the target.
2、In the hypothetical mechanical mode that the end of the pier and foundation areconsolidated, the top of the pier is only allowed to produce horizontal displacement withoutangular displacement. Based on the energy method and the parallel stiffness integration theory,the theory formula of thrust stiffness of the four-columns steel tube concrete piers wasproposed, then by the formula thrust stiffness between round and square section wascompared.
3、Taking Weihe bridge as the engineering background, by the finite element softwareMidas civil, the static behaviors of the steel tube concrete piers and reinforced concrete pierswere comparatively analyzed，the two piers were compared in adapting to the upper structuraldeformation, the internal force distribution, the amount of material and other differences.Concluded that compared with the reinforced concrete piers under the same conditions, thesteel tube concrete piers had smaller thrust stiffness, better ability to adapt to the upperstructural deformation, more balanced structure force, less material consumption, and lowerproject cost, it is suggested that steel tube concrete pier can be used as reasonable pier formfor long span and low pier continuous rigid frame bridge to promote.The reasonableapplication scope of the steel tube concrete piers was discussed, and some suggestions forcombination of continuous rigid frame bridge piers under the conditions of different pierheights were proposed.
4、According to elastic response spectrum analysis and dynamic time-history analysis bythe finite element software Midas civil, the seismic performances of steel tube concrete piersand reinforced concrete piers were compared. The moment-curvature curves in plastic hingezone of two kinds of bridge piers under different ratio of axial compression stress to strengthwere calculated by XTRACT program, then the curvature ductility factors were obtained,combined with the moment-rotation hysteretic curves calculated by the time-history analysis, ductility and energy dissipation capability of two kinds of piers were comparatively analyzed.The results show that steel tube concrete piers can greatly reduce the seismic response ofstructure, and have better ductility and energy absorbing capability, they are conducive toaseismic structure and can be used as the ideal pier form in high earthquake intensity zone.
引文
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