部分填充混凝土矩形钢管桁架力学性能及桥梁应用研究
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摘要
部分填充混凝土（Partial Concrete Filled，简称PCF）矩形钢管桁架是由矩形钢管和矩形钢管混凝土组成的一种新型结构，桁架主管为钢管或钢管混凝土构件，支管为矩形钢管构件，支管与主管采用焊缝直接相贯连接，是一种新型大跨、重载结构形式，在桥梁工程中具有良好的应用前景。本文在国家西部交通建设科技项目(2006318812112)和交通部应用基础研究项目(2006319812130)的资助下，对该新型结构的力学性能和破坏机理进行了研究，并将其应用于连续刚构桥和桁式肋拱桥中，解决了该类桥梁在工程应用中的设计计算问题，为其在桥梁工程中的应用提供了理论依据。
论文主要研究内容及研究成果如下：
（1）对PCF矩形钢管桁架微观单元分析模型进行了研究。基于约束混凝土的总应变裂缝本构模型，选用板壳和实体单元，利用大型通用有限元程序Midas/FEA，建立了PCF矩形钢管桁架的分析模型，对其力学性能进行分析并与试验结果对比。结果表明：有限元分析和试验结果吻合较好，文中建立的微观模型能够准确分析PCF矩形钢管桁架的力学性能，将其用于PCF矩形钢管桁架影响参数的分析是可靠的。
（2）对PCF矩形钢管桁架力学性能的影响参数进行了研究。考虑了支主管宽度比β和主管宽厚比γ两个参数对PCF矩形钢管桁架力学性能的影响，主要得到以下结论：支主管宽度比β对桁架破坏模式的影响较大，随着β增大桁架破坏模式由节点失效转变为杆件失效；主管宽厚比γ对桁架承载能力的影响较大，随着γ增大桁架承载能力急剧下降并逐渐趋于稳定。
（3）对PCF矩形钢管桁架宏观单元分析模型进行了研究。基于钢管混凝土的统一理论，推导了钢管混凝土构件塑性铰的本构关系，选用杆系塑性铰单元，利用大型通用有限元程序Midas/Civil，建立了PCF矩形钢管桁架的宏观分析模型，对其极限荷载、出铰位置和出铰顺序等进行分析。结果表明：有限元分析与试验结果吻合较好，文中建立的宏观模型能够准确把握PCF矩形钢管桁架的力学性能，将其用于PCF矩形钢管桁架桥梁的分析是可行的，有利于对桥梁弹塑性状态的分析和薄弱位置的判断。
（4）进行了PCF矩形钢管桁架在连续刚构桥中的应用研究。以向家坝大桥为依托，建立了PCF矩形钢管桁架连续刚构桥的有限元模型，对其静动力性能的弹性和弹塑性阶段进行分析，并对主梁混凝土填充范围进行优化。静力性能的分析表明：PCF矩形钢管桁架梁桥在跨中挠度、杆件内力和应力水平、极限承载力和塑性变形能力等方面具有一定的优势。动力性能的分析表明：PCF矩形钢管桁架梁桥的动力性能较空钢管桁架梁桥有一定程度的提高，而全部填充混凝土后梁桥动力性能有所下降。
（5）进行了PCF矩形钢管桁架在桁式肋拱桥中的应用研究。以石潭溪大桥为依托，建立了PCF矩形钢管桁架桁式肋拱桥的有限元模型，对其静动力性能的弹性和弹塑性阶段进行分析，并对拱肋混凝土填充范围进行优化。静力性能的分析表明：PCF矩形钢管桁架拱桥在拱顶变形、杆件内力和应力水平、极限承载力和塑性变形能力等方面具有一定的优势，但应注意刚度突变部位构造处理。动力性能的分析表明：PCF矩形钢管桁架拱桥的动力性能较空钢管桁架拱桥有所下降，但仍优于全部填充混凝土的桁架拱桥。
（6）填充长度对PCF矩形钢管桁架桥梁的变形、内力和应力水平均有一定的影响。当连续刚构桥填充系数取0.184~0.395，桁式肋拱桥填充系数取0.231~0.442时，桥梁在结构变形、杆件内力及应力水平均处于较优受力状态。
The partial concrete-filled rectangular steel tubular truss is a new kind ofstructural system that consists of rectangular steel tubular and filled concrete, thechords are steel tubular or concrete-filled steel tubular members and the web arerectangular steel tubular members, and the chord and web are directly connectedwith welded joint. It is a new long span and heavy load structure and has a goodapplication prospect in bridge engineering. Supported by the programs fromWest Transport Construction Science and Technology(2006319812112) andApplied Basic Research Programs of Transport Ministry (2006319812130),the mechanical behaviors and failure mechanisms of this new structural systemwere studied in this paper, and made it use in the continuous rigid frame bridgeand truss type ribbed arch bridge, which solved the problems of design andcalculation about these bridges, and provided the theory basis for theirapplication in bridge engineering.
The main study contents and achievements are summarized as follows:
(1) The microscopic element analysis model of PCF rectangular steeltubular truss was researched. Based on the constraint concrete overall straincracks constitutive model, using the large general finite element program ofMidas/FEA with plate and shell and solid unit, the PCF rectangular tubular steel tubular truss model was established to analyze its mechanical behaviors andcompared with the test results. The results show that the finite element analysisare in good agreement with the test results, and the microscopic analysis modelestablished in this paper can accurately analysis the mechanical behaviors of thePCF rectangular steel tubular truss, which is reliable to be used to analysis theinfluence parameters of PCF rectangular steel tubular truss.
(2) The influence parameters of the mechanical behaviors of the PCFrectangular steel tubular truss were studied considering the effects of the twoparameters, which were width ratio of web and chord β and the ratio of chordwidth and thickness γ. The main conclusions indicated that the width ratio ofbranch and chord β affects the failure mode of the truss greatly, and with theincreasing of β the failure mode of the truss changes from nodes failure to rodsfailure. The ratio of chord width and thickness γ influences the carrying capacityof the truss more, and with the increasing of γ the carrying capacity of the trussfell sharply and then become stable gradually.
(3) The macro element analysis model of PCF rectangular steel tubulartruss was researched. Based on the unified theory of concrete-filled steel tubular,the constitutive relationship of the concrete-filled steel tubular member’s plastichinge was deduced. Adopt the plastic hinge element and using the large generalfinite element program of Midas/CIVIL, the macro element analysis model of PCF rectangular steel tubular truss was established, and the carrying capacity ofthe truss and the failure position and arisen order of plastic hinge were analyzed.The results show that the macro element analysis model established in this papercan accurately grasp the mechanical behaviors of the PCF rectangular steeltubular truss, and it is feasible to be used in the analysis of the PCF rectangularsteel truss bridge, and it is beneficial in bridge elastic-plastic state analysis andthe weak position judgment.
(4) The application research of PCF rectangular steel tubular truss incontinuous rigid frame bridge was carried out. Based on the Xiang Jia Ba Bridge,the finite element model of PCF rectangular steel tubular truss continuous rigidframe bridge was established to analysis the static and dynamic properties in theelasticity and plasticity stages; meanwhile the range of the concrete-filled in thegirder was optimized. The static performance analysis shows that PCFrectangular steel tubular truss bridge has technical advantages in the middle spandeflection, member internal force and stress level, bearing capacity and plasticdeformation. The dynamic properties analysis shows that the dynamic behaviorof PCF rectangular steel tubular truss bridge is improved compared with emptysteel tubular truss girder bridge, but decrease when full concrete-filled.
(5) The application research of PCF rectangular steel tubular truss in trusstype ribbed arch bridge was carried out. Based on the Shi Tan Xi Bridge, the finite element model of PCF rectangular steel tubular truss ribbed arch bridgewas established to analysis the static and dynamic properties in elasticity andplasticity stages; meanwhile the range of the concrete filled in the arch rid wasoptimized. The static performance analysis shows that PCF rectangular steeltubular truss bridge has technical advantages in the vault deflection, memberinternal force and stress level, bearing capacity and plastic deformation, butmore attention should been pay to the stiffness mutations of arch rib. Thedynamic properties analysis shows that the dynamic behavior of PCFrectangular steel tubular truss bridge is decreased compared with empty steeltubular truss bridge, but still excelled in the full concrete-filled arch bridge.
(6) The structural deformation, internal force and stress of members wereinfluenced by the filled length of concrete. The deflection, internal force andstress level of the PCF rectangular steel tubular truss bridges are in a optimalstate when the filling coefficient is0.184~0.395in continuous rigid frame and0.231~0.442in truss type ribbed arch bridge.
论文主要研究内容及研究成果如下：
（1）对PCF矩形钢管桁架微观单元分析模型进行了研究。基于约束混凝土的总应变裂缝本构模型，选用板壳和实体单元，利用大型通用有限元程序Midas/FEA，建立了PCF矩形钢管桁架的分析模型，对其力学性能进行分析并与试验结果对比。结果表明：有限元分析和试验结果吻合较好，文中建立的微观模型能够准确分析PCF矩形钢管桁架的力学性能，将其用于PCF矩形钢管桁架影响参数的分析是可靠的。
（2）对PCF矩形钢管桁架力学性能的影响参数进行了研究。考虑了支主管宽度比β和主管宽厚比γ两个参数对PCF矩形钢管桁架力学性能的影响，主要得到以下结论：支主管宽度比β对桁架破坏模式的影响较大，随着β增大桁架破坏模式由节点失效转变为杆件失效；主管宽厚比γ对桁架承载能力的影响较大，随着γ增大桁架承载能力急剧下降并逐渐趋于稳定。
（3）对PCF矩形钢管桁架宏观单元分析模型进行了研究。基于钢管混凝土的统一理论，推导了钢管混凝土构件塑性铰的本构关系，选用杆系塑性铰单元，利用大型通用有限元程序Midas/Civil，建立了PCF矩形钢管桁架的宏观分析模型，对其极限荷载、出铰位置和出铰顺序等进行分析。结果表明：有限元分析与试验结果吻合较好，文中建立的宏观模型能够准确把握PCF矩形钢管桁架的力学性能，将其用于PCF矩形钢管桁架桥梁的分析是可行的，有利于对桥梁弹塑性状态的分析和薄弱位置的判断。
（4）进行了PCF矩形钢管桁架在连续刚构桥中的应用研究。以向家坝大桥为依托，建立了PCF矩形钢管桁架连续刚构桥的有限元模型，对其静动力性能的弹性和弹塑性阶段进行分析，并对主梁混凝土填充范围进行优化。静力性能的分析表明：PCF矩形钢管桁架梁桥在跨中挠度、杆件内力和应力水平、极限承载力和塑性变形能力等方面具有一定的优势。动力性能的分析表明：PCF矩形钢管桁架梁桥的动力性能较空钢管桁架梁桥有一定程度的提高，而全部填充混凝土后梁桥动力性能有所下降。
（5）进行了PCF矩形钢管桁架在桁式肋拱桥中的应用研究。以石潭溪大桥为依托，建立了PCF矩形钢管桁架桁式肋拱桥的有限元模型，对其静动力性能的弹性和弹塑性阶段进行分析，并对拱肋混凝土填充范围进行优化。静力性能的分析表明：PCF矩形钢管桁架拱桥在拱顶变形、杆件内力和应力水平、极限承载力和塑性变形能力等方面具有一定的优势，但应注意刚度突变部位构造处理。动力性能的分析表明：PCF矩形钢管桁架拱桥的动力性能较空钢管桁架拱桥有所下降，但仍优于全部填充混凝土的桁架拱桥。
（6）填充长度对PCF矩形钢管桁架桥梁的变形、内力和应力水平均有一定的影响。当连续刚构桥填充系数取0.184~0.395，桁式肋拱桥填充系数取0.231~0.442时，桥梁在结构变形、杆件内力及应力水平均处于较优受力状态。
The partial concrete-filled rectangular steel tubular truss is a new kind ofstructural system that consists of rectangular steel tubular and filled concrete, thechords are steel tubular or concrete-filled steel tubular members and the web arerectangular steel tubular members, and the chord and web are directly connectedwith welded joint. It is a new long span and heavy load structure and has a goodapplication prospect in bridge engineering. Supported by the programs fromWest Transport Construction Science and Technology(2006319812112) andApplied Basic Research Programs of Transport Ministry (2006319812130),the mechanical behaviors and failure mechanisms of this new structural systemwere studied in this paper, and made it use in the continuous rigid frame bridgeand truss type ribbed arch bridge, which solved the problems of design andcalculation about these bridges, and provided the theory basis for theirapplication in bridge engineering.
The main study contents and achievements are summarized as follows:
(1) The microscopic element analysis model of PCF rectangular steeltubular truss was researched. Based on the constraint concrete overall straincracks constitutive model, using the large general finite element program ofMidas/FEA with plate and shell and solid unit, the PCF rectangular tubular steel tubular truss model was established to analyze its mechanical behaviors andcompared with the test results. The results show that the finite element analysisare in good agreement with the test results, and the microscopic analysis modelestablished in this paper can accurately analysis the mechanical behaviors of thePCF rectangular steel tubular truss, which is reliable to be used to analysis theinfluence parameters of PCF rectangular steel tubular truss.
(2) The influence parameters of the mechanical behaviors of the PCFrectangular steel tubular truss were studied considering the effects of the twoparameters, which were width ratio of web and chord β and the ratio of chordwidth and thickness γ. The main conclusions indicated that the width ratio ofbranch and chord β affects the failure mode of the truss greatly, and with theincreasing of β the failure mode of the truss changes from nodes failure to rodsfailure. The ratio of chord width and thickness γ influences the carrying capacityof the truss more, and with the increasing of γ the carrying capacity of the trussfell sharply and then become stable gradually.
(3) The macro element analysis model of PCF rectangular steel tubulartruss was researched. Based on the unified theory of concrete-filled steel tubular,the constitutive relationship of the concrete-filled steel tubular member’s plastichinge was deduced. Adopt the plastic hinge element and using the large generalfinite element program of Midas/CIVIL, the macro element analysis model of PCF rectangular steel tubular truss was established, and the carrying capacity ofthe truss and the failure position and arisen order of plastic hinge were analyzed.The results show that the macro element analysis model established in this papercan accurately grasp the mechanical behaviors of the PCF rectangular steeltubular truss, and it is feasible to be used in the analysis of the PCF rectangularsteel truss bridge, and it is beneficial in bridge elastic-plastic state analysis andthe weak position judgment.
(4) The application research of PCF rectangular steel tubular truss incontinuous rigid frame bridge was carried out. Based on the Xiang Jia Ba Bridge,the finite element model of PCF rectangular steel tubular truss continuous rigidframe bridge was established to analysis the static and dynamic properties in theelasticity and plasticity stages; meanwhile the range of the concrete-filled in thegirder was optimized. The static performance analysis shows that PCFrectangular steel tubular truss bridge has technical advantages in the middle spandeflection, member internal force and stress level, bearing capacity and plasticdeformation. The dynamic properties analysis shows that the dynamic behaviorof PCF rectangular steel tubular truss bridge is improved compared with emptysteel tubular truss girder bridge, but decrease when full concrete-filled.
(5) The application research of PCF rectangular steel tubular truss in trusstype ribbed arch bridge was carried out. Based on the Shi Tan Xi Bridge, the finite element model of PCF rectangular steel tubular truss ribbed arch bridgewas established to analysis the static and dynamic properties in elasticity andplasticity stages; meanwhile the range of the concrete filled in the arch rid wasoptimized. The static performance analysis shows that PCF rectangular steeltubular truss bridge has technical advantages in the vault deflection, memberinternal force and stress level, bearing capacity and plastic deformation, butmore attention should been pay to the stiffness mutations of arch rib. Thedynamic properties analysis shows that the dynamic behavior of PCFrectangular steel tubular truss bridge is decreased compared with empty steeltubular truss bridge, but still excelled in the full concrete-filled arch bridge.
(6) The structural deformation, internal force and stress of members wereinfluenced by the filled length of concrete. The deflection, internal force andstress level of the PCF rectangular steel tubular truss bridges are in a optimalstate when the filling coefficient is0.184~0.395in continuous rigid frame and0.231~0.442in truss type ribbed arch bridge.
引文
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