（岩土工程专业论文）纤维模型方法在钢管混凝土拱桥结构中的应用.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：趣羔函企 e t 期：a 监：尘：肋 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：季酗因殓导师签名： 山东大学硕士学位论文 摘要 钢管混凝土柱具有承载力高、经济、实用、美观等优点，在工业厂房和高层 以及超高层建筑中得到了大量的应用。拱桥因其造型美观、承载力大、造价低廉、 耐久性好等优点，在我国历来备受重视。钢管混凝土同时解决了拱桥材料高强化 和拱圈施工轻型化两个问题，在桥梁中也得到越来越多的采用。现在我国的大跨 度钢管拱桥在迅猛。因此国内外许多学者对钢管混凝土结构的力学性能和设计方 法进行了大量的研究工作。混凝土浇注以后内部混凝土质量及其与钢管壁之间的 胶结质量是影响钢管混凝土质量的重要因素。本文以钢管混凝土单拱肋为例，对 钢管混凝土缺陷参数与其轴心受压承载力的关系进行了研究，本文基于o p e n s e e s 计算平台的纤维模型法对钢管混凝土拱的极限承载力状况进行了分析。主要研究 内容如下： 1 本文采用纤维模型进行计算。通过介绍纤维模型方法的概念、思路以及采 用纤维模型方法分析结构构件受力全过程的具体计算过程，确定了应用于钢管混 凝土受力全过程分析的计算方法。 2 利用o p e n s e e s 计算平台对一钢管混凝土拱肋分析，将计算结果与该拱肋试 验数据进行对比分析，从而确定本文采用的本构模型及计算程序能较好的反应钢 管混凝土的力学性能。 3 利用o p e n s e e s 计算平台对一钢管混凝土拱肋分析，分析了不同的材料参数 及横向力大小对钢管混凝土极限承载力的影响，给出承载力折减规律。 4 利用o p e n s e e s 计算平台对一钢管混凝土拱桥进行了脱空计算分析，分析了 脱空的角度、轴向长度、径向厚度对其工作性能的影响，系统总结了各个因素的 影响关系，并给出了钢管混凝土脱粘折减系数，为类似工程提供借鉴。 5 以支井河特大桥为背景，将纤维模型法应用于工程计算，并与传统有限元法 进行比较，为今后进一步将纤维模型法用于结构计算奠定基础。 关键词：纤维模型；o p e n s e e s ；钢管混凝土；稳定承载力 3 山东大学硕士学位论文 a bs t r a c t t h ec o n c r e t e f i l l e ds t e e lt u b u l a r ( c s f t ) i ss u p e r i o rt oo t h e rs t r u c t u r e si nh i g h b e a r i n gc a p a c i t y ，t e c h n o l o g ya n de c o n o m y b e c a u s eo ft h e s ea d v a n t a g e s ，i th a sb e e n a d o p t e di ni n d u s t r yf a c t o r ya n dh i g hr i s eb u i l d i n g sw i d e l y a r c hb r i d g eh a sb e e np a i d m o r ea t t e n t i o ni no u rc o u n t r ys i n c ea n c i e n tt i m e ，f o ri t sn o t a b l ea r c h i t e c t u r a le f f e c t ， h i g hl o a d b e a r i n gc a p a c i t y ，l o w c o n s t r u c t i o n c o s t ，a n dg o o d e n d u r a n c e c o n c r e t e - f i l l e ds t e e lt u b u l a r ( c f s t ) h a v eb e e na d o p t e dm o r ea n dm o r ei nb r i d g e s ， b e c a u s eo ft h ei m p r o v e m e n to ft h es t r e n g t ho fm a t e r i a la n dc o n v e n i e n c eo fe r e c t i o n t h e r e f o r et h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ls c h o l a r sh a v ec a r r i e do nb ym a n yr e s e a r c h e s o nm e c h a n i c sp e r f o r m a n c ea n dd e s i g nm e t h o do ft h ec o n c r e t e - f i l l e ds t e e lt u b u l a r s t r u c t u r e s i ti sp o s s i b l et oe n g e n d e rs o m ed e f e c t si nt h ei n t e r n a lc o n c r e t ea n dt h e c e m e n t a t i o nd e v i a t i n gb e t w e e ns t e e la n dc o n c r e t ea f t e rp o u r i n gc o n c r e t e c f s t c o l u m nw h i c hc a r r i e st h em a i nl o a di sm o s t l ya p p l i e di nc o n s t r u c t i o ns t r u c t u r e t h e s t r u c t u r a ls t a b i l i t ya n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc o m p o n e n t sw o u l db er e d u c e dd u e t ot h ed e f e c t s t h e r e f o r e ，i ti se s s e n t i a lt or e s e a r c ht h ee f f e c to fd i f f e r e n tm a t e r i a l p a r a m e t e r sa n dt h em a g n i t u d eo fl a t e r a ll o a d s t ot h er e d u c t i o no fb e a r i n gc a p a c i t y o p e n s e e s ( o p e ns y s t e m f o r e a r t h q u a k ee n g i n e e r i n gs i m u l a t i o n ) i s a c o m p u t a t i o n a lp l a t f o r md e v e l o p e db yu n i v e r s i t yo fc a l i f o r n i aa tb e r k e l e y i t sk e y f e a t u r ei so p e ns o u r c ea n df r a m e w o r k u s e r sc a na p p l ya n dd e v e l o pi tb yt h ei n t e r n e t o nt h eb a s i co fo p e n s e e s ，t h ei n f l u e n c eo fm e m b e rs t a b i l i t yi sa n a l y z e d ，t h em a i n c o n t e n t sa r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 t h ec o n c e p ta n dt h ec a l c u l a t i o n sm e t h o do ft h ef i b e rm o d e la r ei n t r o d u c e d ， t h e o r e t i c a la n a l y s i sv e r i f yt h ef i b e rm e t h o dc a nb eu s e di nt h ec a l c u l a t i o no fc o n c r e t e f i l l d es t e e lt u b u l a ra r c h e s 2 o nt h eb a s i co ft h eo p e n s e e sc o m p u t a t i o n a lp l a t f o r m ，a n a l y s e dt h ec a p a c i t yo fa c o n c r e t ef i l l e ds t e e lt u b u l a ra r c h e s ，i t sn u m e r i c a lr e s u l ti sc o m p a r e dw i t ht h a to b t a i n e d b yt h ep r e v i o u se x p e r i m e n t a lm e t h o d p r i m i t i v er e s u l t sv e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h e f i b e rm e t h o d 5 山东大学硕士学位论文 3 c a l c u l a t e dac o n c r e t ef i l l e ds t e e lt u b u l a ra r c h e sb a s e do nt h eo p e n s e e s c o m p u t a t i o n a lp l a t f o r m ，t h ee f f e c to fd i f f e r e n tm a t e r i a lp a r a m e t e r sa n dt h em a g n i t u d e o fl a t e r a ll o a d sw a sa n a l y s e d ，t h er u l eo f b e a r i n gc a p a c i t yr e d u c t i o ni so b t a i n e d 4 d i s e n g a g i n go fs t e e lt u b ec o n f i n e dc o n c r e t ei na r c hb r i d g e sw a sa n a l y s e db a s e do n t h eo p e n s e e sc o m p u t a t i o n a lp l a t f o r m ，t h ee f f e c to fd i s e n g a g i n ga n g l e ，d i s e n g a g i n g a x i a ll e n g t ha n dr a d i a lt h i c k n e s sw e r ea n a l y s e d ，s y s t e m a t i c a l l ys u m m a r i z e dt h ee f f e c t o fe a c hf a c t o r o b t a i n e dc o n c r e t ef i l l e ds t e e lt u b u l a ra r c h e sd i s e n g a g i n gr e d u c t i o n f a c t o r ，h o p i n gt h a ti tm a yf u r n i s hr e f e r e n c ef o rs i m i l a rp r o j e c t 5 u n d e rt h eb a c k g r o u n do fz h i ji n g h es u p e rl a r g eb r i d g e ，t h ef i b e rm o d e lw a sa p p l i e d i ne n g i n e e r i n gc a l c u l a t i o n ，i t sn u m e r i c a lr e s u l ti sc o m p a r e dw i t ht h a to b t a i n e db yt h e t r a d i t i o n a lf e mm e t h o d ，l a i daf o u n d a t i o nf o rt h ef u r t h e re n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n o f t h ef i b e rm o d e l k e yw o r d s ：t h ef i b e rm o d e l ；c o n c r e t ef i l l e ds t e e lt u b u l a ra r c h e s ；o p e n s e e s ；c a r r y i n gc a p a c i t y 6 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 钢管混凝土结构的特点 钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成的构件，按截面形式的不同，可 以分为圆钢管混凝土、方形、矩形和多边形截面钢管混凝土等，其中圆形截面和 矩形截面钢管混凝土结构应用较为广泛。钢管混凝土利用钢管和混凝土两种材料 在受力过程中的制约，即钢管对混凝土的套箍作用，使混凝土处于复杂应力状态 之下，从而使混凝土强度得以提高，塑性和韧性大为改善。同时，混凝土内填于 钢管之内，增强了钢管的管壁稳定性，刚度也远大于钢结构，使整体稳定性也有 了极大的提高。此外，在钢管混凝土的施工过程中，钢管还可以作为浇筑其核心 混凝土的模板，可节省模板费用，加快施工速度。总之，通过钢管和混凝土组合 而成为钢管混凝土，不仅可以弥补两种材料各自的缺点，而且能够充分发挥二者 的优点，使钢管混凝土具有一系列的优势【1 】： ( 1 ) 受力合理，承载力高。能充分发挥混凝土与钢材的特长，从而使构件 的承载力大大提高。另外，对于同样的负荷，钢管混凝土构件的断面将比钢筋 混凝土构件显著减小。对于混凝土来说，由于钢管约束，改变了受力性能，变 单向受压为三向受压。对于薄壁钢管来说，其临界承载力很不稳定，因为它对 局部缺陷很敏感。实验证明：薄壁钢管的实际承载力往往只有理论计算值的 1 3 - 1 5 ，当焊接残余应力存在时，影响将可能更大。在钢管中填充混凝土形成 钢管混凝土后，钢管约束了混凝土，在轴心受压荷载作用下，混凝土三向受压， 可延缓其受压时的纵向开裂。同时混凝土可以延缓或避免薄壁钢管过早地发生 局部屈曲。两种材料相互弥补了彼此的弱点，可充分发挥彼此的长处，从而使 钢管混凝土具有较高的承载能力，一般都高于组成钢管混凝土的钢管和核心混 凝土单独承载力之和。 ( 2 ) 塑性、韧性好。钢管的套箍作用大大提高了混凝土的塑性性能，使得 混凝土，特别是高强混凝土脆性的弱点得到克服。另外，钢管混凝土结构还具 有较好的耐冲击能力和动力性能。圆钢管混凝土柱在抵抗方向不确定的地震力 作用时，由于其各个方向的强度相同，显示出其有效性。 7 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) 施工简单，缩短工期。在施工方面，钢管具有较大的刚度和强度，可作 为施工的劲性骨架。钢管本身又可作为侧压的模板，这样，施工时就基本不需要 模板和支架。钢管制作工厂化，劳动效率高。从这些方面来看，不仅节省了大量 施工中的材料，减少了施工工作量，而且大大减少了现场露天工作，改善了工作 条件，同时也加快了施工，缩短了工期。 ( 4 ) 耐火性能较好。钢管混凝土结构由于内填了混凝土，在高温情况下，与 空钢管相比它的软化温度将极大地提高，而在急骤降温时又不会像钢筋混凝土结 构那样爆裂。另外，火灾后，随着外界温度的降低，钢管混凝土结构己屈服截面 处钢管的强度可以得到不同程度的恢复，截面的力学性能比高温下有所改善，结 构的整体性比火灾中也将有所提高，这不仅为结构的加固补强提供了一个较为安 全的工作环境，也可减少补强工作量，降低维修费用，这和火灾后的钢筋混凝土 结构与钢结构不同。对于钢筋混凝土结构，其己改性破坏截面的力学性能和整体 性均不能因温度的降低而有所恢复或改善。对于钢结构，其已发生失稳和扭曲的 构件在常温下也不会比火灾下时带来更多的安全性。 ( 5 ) 经济效益好。与钢结构相比，节约了大量钢材。根据多项工程统计，钢 管混凝土大约能节省钢材50 ，因而相应地也降低了造价。与钢筋混凝土结构相 比，可节约混凝土5 0 ，减轻结构自重5 0 左右，钢材用量略高或相等。这样使得 构件自重大大减轻，构件断面大大减小，减少了结构占地面积。由于省去了大量 的模板，节省了大量木材，降低了费用，因此其取得了显著的经济效果。 尽管钢管混凝土结构的有点很多优点，但它也存在着自身的特性所决定的一 些弊端，主要表现在以下几点【2 】： 1 使用范围有限 从目前己建成的众多建筑物来看，钢管混凝土的使用范围还仅限于柱、桥墩、 拱桥架等中。现在还很少有使用钢管混凝土梁( 或大偏心受压构件) 的先例，更不 用说受拉构件。这是因为梁的截面一般为矩形，而矩形的钢管混凝土的受力比较 复杂，而且构造要求繁琐，经济效果不佳。对于受拉构件使用钢管混凝土根本就 不能体现出它的优势，反而不如钢筋混凝土和钢构件。 2 结构构件的制作，安装复杂 当钢管混凝土与混凝土梁连接时就必须借助柱上的牛腿和加强板。如果与柱 山东大学硕士学位论文 连接的梁多且不在同一个标高上时，就会有许多牛腿和加强板，如果采用明牛腿 就在美观上受到影响，如果采用暗牛腿，又会给浇注带来或多或少的不便，影响 施工进度，在一定的程度上也影响了钢管混凝土的承载能力。对于分层施工，由 于混凝土的纵向自然收缩，在混凝土达到一定强度后，柱顶需进行沉缩处理，不 然单纯靠钢管将上部的竖向力传到混凝土上，需较长的一段距离，这同样在一定 程度上影响了施工进度和构件的承载能力在钢管的制作上也具有一定的难度。 与普通的钢结构相比，钢管的制作、焊接、表面除锈、防锈处理等要求较高，难 度也较大。 3 质量检测及加固困难 钢管混凝土柱管内浇注混凝土属于隐蔽性工程，混凝土浇注质量无法直接观 测检查。当采用人工浇注或泵送时，只能依靠操作人员的职业素质和严密的施工 组织管理来保证施工质量。如果检测到管内存在不密实部位就得将钢管钻孔压浆 进行补强，然后再在钻孔处补焊封固。因而，无论从质量检测上，还是在完善施 工管理上都是较为费工时的。 钢管混凝土结构设计与施工规范提到对钢管混凝土质量检测应采用超声 波法，但超声波检测方法具体操作尚未成熟，使用中对其数据的采集比较单一。 此外，敲击法也为工程中常用的辅助检测方法，但它完全凭技术人员的技术和素 质，同时缺乏理论依据和可供存档的资料，说服力不足，也不便于施工技术管理 和质量检测技术管理，它只能作为辅助检测手段。 1 2 钢管混凝土结构在桥梁工程中的应用 由于在材料和施工方法上的优越性，将钢管混凝土作为主要承重构件而修建 的钢管混凝土拱桥越来越多。世界上最早修建的钢管混凝土拱桥是本世纪3 0 年代 前苏联建造的跨越列宁格勒涅瓦河的跨度为l o o m 拱梁组合体系桥和位于西伯利 亚跨度为1 4 0 m 的板肋拱桥。1 9 7 9 年建成了曾创下世界记录的跨度为3 9 0 m 的前南斯 拉夫k r k 大桥。近年来修建的此类桥梁有日本1 8 0 m 的青叶大桥，法国的昂特那斯 ( a n t r e n a s ) 拱桥，捷克共和国跨越布尔诺一维也纳高速公路的钢管混凝土拱桥 等。1 日本长崎西海二桥也为中承式钢管混凝土拱桥，跨径2 3 0 m 。瑞典的阿斯柯洛 夫约桥，净跨2 7 8 米。德国的凯赛莱桥，为钢管系杆拱桥，净跨2 2 0 米。虽然在我 国只有十余年的发展历史，但是速度惊人，而且跨度越来越大【4 1 。1 9 9 0 年，我国 9 山东大学硕士学位论文 第一座钢管混凝土拱桥一四川旺苍东河大桥建成，该桥为跨径1 l o r e 的下承式预 应力钢管混凝土系杆拱桥。目前，国内己建成多座大跨径、大规模的钢管混凝土 拱桥，如1 9 9 3 年建成的主跨1 2 0 m 的浙江新安江大桥( 中承式) ，1 9 9 5 年建成主跨 2 0 0 m 自锚式的广东南海三山西大桥【5 】；2 0 0 2 年建成的主跨3 0 8 m 的浙江省淳安县( 干 岛湖) 南浦大桥( 中承式) ；2 0 0 2 年建成的主跨为3 3 8 m 的南宁永和桥( 中承式) ：2 0 0 4 年建成的主跨达4 6 0 m 的重庆巫峡长江大桥( 中承式) ：2 0 0 5 年建成的浙江省杭州市 钱江四桥( 复兴大桥) ，主桥长约l k m ，为双层桥面，上层通行汽车，下层通行轻 轨：2 0 0 4 年建成的8 跨( 每跨l o o m ) 、上下行分离的郑州黄河公路二桥主桥( 下承式 系杆拱) ：2 0 0 5 年建成的主跨为3 6 8 m 的湖南省洞庭湖茅草街大桥( 飞鸟式) 等。 表1 1 我国部分己建成的钢管混凝土拱桥一览表 序桥名建成年份跨径矢跨比拱轴线型结构形式 号 ( m ) 1 湖北三峡黄柏河大桥1 9 9 61 6 01 5m - - 1 5 4 3 悬链线上承式 2 长安大学人行天桥 1 9 9 61 0 01 9 6 二次抛物线中承式 3 黑龙江依兰牡丹江大桥 1 9 9 71 0 01 4 m = 1 7 5 6 悬链线中承式 4 陕西蜀河汉江大桥1 9 9 71 2 01 5 m = 1 5 4 3 悬链线 中承式 5 福建闽清石潭溪大桥 1 9 9 71 3 61 5 m = 1 1 6 7 悬链线中承式 6江西景德镇瓷都大桥1 9 9 71 5 01 5 四次抛物线 中承式 7 四川高谷乌江大桥1 9 9 71 5 01 5悬链线中承式 8 四川西吕雅砻江大桥 1 9 9 81 7 01 5 m = 1 5 4 3 悬链线上承式 9 广西三岸大桥1 9 9 82 7 01 5m = 1 1 6 7 悬链线中承式 1 0 湖北秭归龙潭河大桥 1 9 9 92 0 01 4 9 三次样条函数中承式 1 1广尔深圳彩虹大桥2 0 0 01 5 01 4 5 m = 1 1 6 7 悬链线下承式 1 2 湖北武汉汉江人桥2 0 0 0 2 8 0 1 5m = 1 5 4 3 ；悬链线f 承式 1 3广西百色右江大桥2 0 0 01 2 81 4 m = 1 3 4 7 ；悬链线中承式 1 4广州丫鬟沙大桥2 0 0 03 6 01 4 5 m = 2 0 悬链线 l l 鸟式 1 0 山东大学硕士学位论文 1 5 湖北武汉汉江五桥 2 0 0 02 4 0 1 5m = 1 5 恳链线匕鸟式 1 6 重庆奉。肖梅西河桥 2 0 0 12 8 81 5 悬链线上承式 1 7浙江宁波琴桥2 0 0 11 2 01 5悬链线下承式 1 8 仰恩大学人行天桥 2 0 0 21 0 01 5 m = 1 1 6 7 悬链线中承式 1 9 南宁邑江人桥 2 0 0 21 9 01 4 5 m = 1 1 6 7 恳链线中承式 2 0秭归青干河人桥2 0 0 2 2 4 8 1 4 9三次样条函数中承式 2 1 徐州京杭运河大桥 2 0 0 22 3 5 1 4m = 1 3 3 悬链线飞鸟式 2 2 淳安县南浦大桥 2 0 0 23 0 81 5 5 m = 1 1 6 7 悬链线中承式 2 3南宁永和大桥 2 0 0 23 3 8 1 4 5悬链线中承式 2 4 重庆巫山长江大桥 2 0 0 44 6 01 5 悬链线中承式 2 5湖南南县茅草街大桥2 0 0 5 3 6 81 5 m = 1 5 4 3 悬链线飞鸟式 1 3 钢管混凝土结构研究现状 1 3 1 钢管混凝土结构的发展现状 自2 0 世纪5 0 年代以来，国内的哈尔滨建筑大学、中国建筑科学研究院等对钢 管混凝土的基本理论进行了大量的研究，取得了可喜的成果，已在圆形钢管混凝 土柱的研究中处于国际领先水平，并大致形成了三个理论体系，集中反映在蒋家 奋和汤关柞编写的三向应力混凝土【6 1 ，蔡绍怀编写的钢管混凝土结构的计 算与应用1 7 1 和钟善桐著的钢管混凝土结构【8 1 这三本书中。目前国内关于钢 管混凝土结构的设计还没有国家标准，但一些行业制定了相关设计规程，主要有 中国工程建设标准化协会编制的钢管混凝土结构设计与施工规程1 9 】，电力行 业编制的钢混凝土组合结构设计规程i l 。 从二十世纪三十年代到现在，国内外很多研究人员对钢管混凝土构件进行了 大量的实验和理论研究，提出了各种不同的计算理论和计算公式【1 1 】，现归纳如下： 对于钢管混凝土轴心受压构件的稳定承载力的计算方法，可归纳为下列三种 方法。 1 应用欧拉公式确定临界力，认为构件的临界力是钢管和混凝土的欧拉临界力 山东大学硕士学位论文 之和【1 2 , 1 3 l ，表达式如下： n 。，；鲁( ，i ，+ e c i 。) ( 1 - 1 ) 当e 。和e ，分别按规定采用弹性模量时，该式只适用于弹性阶段稳定临界力的 计算。苏州混凝土与水泥制品研究院推荐下列计算公式： o r c ，_ 等e 二 m 2 ) 。，= 百已二 ( 卜) 式中旯是构件长细比，e 羔称为钢管混凝土的综合弹性模量，是根据钢管混凝 土轴心受压短试件的应力一应变曲线确定的模量。文献 1 4 借用混凝土单轴受 压时的应力一应变关系，据此求得的结果不完全符合实际，又根据实验结果进 行了修正。 2 根据实验结果回归稳定系数 我国建筑科学研究院结构所【1 5 , 1 6 】也推荐了经验稳定系数法： 驴l = 1 0 1 1 5 l d - 4 ( 卜3 ) 式中l 和d 分别是构件的计算长度和外直径。 此式的优点是直观和计算简单，也是一种解决复杂问题比较简易的方法，但 往往由于实验数据有限，外延性较差，因而不得不从实验结果的对比中找差异进 行修正，使计算趋于复杂。 3 数值解法 采用有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 进行钢管混凝土构件的分析较为准 确，其优点在于： ( 1 ) 方法通用性强。对于不同荷载情况和不同几何或物理参数的构件分析可采 用一个通用程序进行。 ( 2 ) 计算较为精确。 但有限元法【1 7 , , 8 1 1 9 存在如下缺点： ( 1 ) 计算显得过于复杂，不便于实际应用。 ( 2 ) 在确定钢材和混凝土的本构关系模型，尤其是混凝土的本构关系模型时，由 于混凝土本身的离散性大，工作行为较为复杂，为了使计算结果与试验结果相吻 1 2 山东大学硕士学位论文 合，不得不提出大量参数修正现有模型，不利于掌握钢管核心混凝土的力学实质。 结构的有限元分析既是一个方兴未艾的研究课题，又是一个目前在工程领域 被广泛应用的研究工具。结构的有限元分析可以对结构内部各点的变形、内力加 以全程监测，从而得到更完备的信息，深化对结构的力学行为的理解：可以利用 模拟试验来讨论试验中的大量参数，减轻试验工作量。还可以完成部分在现实中 难以进行的试验，如破坏、倒塌、爆炸等等【1 1 】。 n e o g i 和s e n 1 8 】，采用数值方法分析了钢管混凝土弹塑性阶段的荷载一一变形 曲线，考虑了钢管内混凝土三向受压时强度的提高，分析中采用如下假设：不考 虑受拉的单轴应力应变曲线：应力一应变曲线考虑加载和卸载特性：钢管和核 心混凝土不会分开以及不会发生局部屈曲和剪切破坏。 h uh t 和h u a n gcs 【1 9 】等利用a b a q u s 程序对圆形钢管混凝土轴心受压柱的荷 载变形关系进行了计算，并分析了d t 对组成圆钢管混凝土的钢管对其核心混 凝土的约束效应。 j o h a n s s o n g y l l t o f t l 2 0 , 2 1 】成功地采用大型有限元程序a b a q u s 计算出了圆钢管 混凝土轴心受压短试件地荷载一变形关系曲线。 周世强，宁小春【2 2 】基于u l 列式单元增量平衡方程，采用单元节点截面内力 塑性系数法进行了钢管混凝土受压柱弹塑性稳定极限承载力分析。 徐兴等人【2 3 】采用三维有限元法对钢棍凝土轴压长柱的极限承载力与长细比的 关系进行了研究，并对结构丧失承载力的原因进行了探讨。 综上所述，研究钢管混凝土的方法主要有以下几种： ( 1 ) 实验研究，通过大量实验数据回归经验公式，但受实验条件限制。 ( 2 ) 数值方法，数值方法常用的有两种：有限单元法和纤维模型法。 试验方法对于钢管混凝土的研究最为直接、可靠，但也有投资大、周期长、 参数变化困难等缺点。数值计算方法能够对弥补这方面的不足，只要少数的试验 验正模型，此基础上就可以很方便地研究参数变化对结构的影响，分析结构的受 力来指导实验。 1 3 2 钢管混凝土脱空研究现状【2 7 3 3 1 钢管混凝土中钢管与混凝土的共同工作、钢管混凝土构件能够发挥其优越性 山东大学硕士学位论文 能的自，j - 提是钢管与混凝土两者能够共同 作。由于钢管混凝土由钢管和混凝土两 种材料组成，两者组合界面存在剪切作用，因此两者要能够共同工作，必须具有 足够的剪切粘结强度【2 6 1 。在钢管混凝土构件组合界面剪切粘结强度方面有一些比 较系统的研究和相应的抗剪强度计算式【2 4 , 2 5 1 。 由于钢管混凝土在施工中可见性差，可见性就是指在整个混凝土浇筑过程中 混凝土不可见，使混凝土材料内部存在空洞、疏松、施工缝、组织不均匀以及混 凝土与钢管胶结不良等缺陷，从而程度不同的削弱构件的整体性和力学性能。钢 管混凝土施工中浇筑工艺还没有得到更好的改善，就会出现浇空的质量问题。除 此之外当柱内浇灌了高标号的混凝土后，产生的水化热从中心向外扩散，待混凝 土固结以后钢管壁与内部混凝土之间也会产生脱空缺陷。 关于钢管与混凝土脱空产生的原因，这方面研究较多。脱空的原因是多方面 的，如构件承受轴向压力、混凝土本身的质量、施工过程中的泵送质量、温度变 化( 包括温升和温降) 、添加剂的选择及用量、核心混凝土收缩徐变等各方面因素 都有可能引起钢管与混凝土的脱空。文献1 2 6 1 讨论了钢管混凝土拱脱空的原因， 并对钢管混凝土受轴压作用、核心混凝土温度下降、外钢管温度上升等3 种因素 引起脱空的机理进行了详细分析。在3 种因素中，温度的升降变化( 核心混凝土的 温度下降及钢管外部的温度升高1 较轴压荷载更容易引起钢管混凝土的脱空。 钢管混凝土拱桥的拱肋混凝土施工方法也可能使结构产生脱空现象【2 6 】。管内 混凝土常用的浇筑方法有手工逐段浇筑、高位抛落不振捣和泵送顶升浇筑法等， 大跨径拱桥主要采用泵送顶升法，即用混凝土输送泵将混凝土从低处往高处顶升 ( 一般当加载程序是从拱脚往拱项一次浇筑时，从两端拱脚向拱顶泵送；当泵送顶 升高度较高时，采用分级泵送) 。在浇筑过程中，随着混凝土在管内上升，管内空 气密度不断增加，若是排气孔设计不当或其他原因导致空气来不及从排气孔排 尽，在管内极有可能形成气孔缺陷，造成脱空。 混凝土收缩也易造成钢管与混凝土脱型2 6 j 。钢管混凝土构件的核心混凝土大 多由微膨胀高强混凝土灌注。高强混凝土收缩率一般较大，膨胀剂的作用与混凝 土收缩很难同步，因此桥梁建成初期不容易出现脱空现象，而经若干时段后，混 凝土的收缩徐变可能成为钢管混凝土桥梁拱肋钢管与混凝土脱空。 钢管与混凝土界面脱离钢管与混凝土在交界面处脱离是钢管混凝土构件的 1 4 山东大学硕士学位论文 主要脱空形式。在目前的技术水平下，国内的钢管混凝土拱桥的拱肋存在这种脱 空。钢管与混凝土界面脱离可以发生在整个拱肋或其中某几段，其脱离的宽度因 核心混凝土性能( 如收缩性、膨胀剂效应等) 不同而可能不同。钢管混凝土拱肋界 面脱离还包括两种情况一种是钢管与混凝土在径向的脱空；另一种是纵向脱空， 即在对拱肋钢管分仓浇筑混凝土时，分仓隔板处容易发生纵向脱空。上述两种情 况中，前一种脱空形式目前已经受到关注，而后一种尚未受到较多关注，但这种 脱空也可能导致危险的后果。 综上所述，钢管混凝土的工作状态分为3 种：钢管与核心混凝土径向挤压、 径向临界、径向脱空。其中钢管混凝土脱空，也称为脱粘，指钢管与核心混凝土 在界面处分离开来或者是核心混凝土内部出现空洞、不密实等现象。 在桥梁上，钢管混凝土脱空主要是指拱肋中的钢管与混凝土发生脱空，这种 脱空不仅有径向的，还有纵向的。对于钢管混凝土拱肋脱空的研究主要是两个问 题：对于钢管混凝土这种结构，脱空问题是否一定会发生。如果不可避免 要发生脱空，那么在构件的计算上怎样减少或消除脱空的影响并采取适当的补救 措施。目前对以上问题在国内尚未有统一的看法和理论。 1 3 3 钢管混凝土拱桥承载力及稳定性研究 钢管混凝土拱桥作为钢管混凝土材料在工程应用中的一种具体结构形式，其 结构承载力的确定有别于单纯的钢管混凝土构件。我国自9 0 年代才开始该方面的 研究。总体而言，尚属初步阶段。目前，西南交大、福州大学等单位先后进行了 钢管混凝土拱结构的静载和稳定性试验【3 4 】【3 5 】，另外有些单位也开展了成桥实测工 作 3 6 1 f 3 9 1 ，为计算钢管混凝土拱结构承载力提供了试验基础。 由于钢管混凝土拱桥长细比大、空间性强且受力工况复杂，与建筑结构中的 钢管混凝土柱不尽相同。同时，用于拱桥结构设计的桥梁规范尚不够完善，而且 由于钢管混凝土拱桥具有独特的材料特性和较大的跨度，不宜套用现有的桥梁规 范，因此对其承载能力的研究还有待深入。钢管混凝土拱桥由于材料强度的提高， 成桥后的侧向稳定问题十分突出。近年来，许多学者对钢管混凝土拱桥进行了双 重非线性稳定分析f 删f 4 7 j f 4 8 】，得到了一些有价值的结论。文( 删中，作者介绍了同 时考虑材料非线性和几何非线性的钢管混凝土拱桥稳定性分析方法，并采用该方 1 5 山东大学硕士学位论文 法对南浦大桥的稳定性进行了分析。分析的结果表明：几何非线性对该大桥稳定 性影响较小，而材料非线性对该桥稳定性影响较大。所以提出，在分析钢管混凝 土拱桥的稳定性时，可以不考虑几何非线性的影响，但材料非线性的影响不容忽 略。 1 4 本文的研究背景及主要内容 钢管混凝土能适应现代工程结构向大跨、高耸、重载发展和承受恶劣条件的 需要，符合现代旌工技术的工业化要求，因而广泛地应用于单层和多层工业厂房 柱、设备构架柱、各种支架、地铁站台柱、大跨度和空间结构、商业广场、多层 办公楼及住宅、高层和超高层建筑以及桥梁结构中。 钢管混凝土构件的工作实质在于钢管及其核心混凝土间的相互作用和协同 互补，这种相互作用使钢管混凝土具有一系列优越的力学性能，同时也导致其力 学性能的复杂性。如何合理地估计这种相互作用以及横向力，脱空等因素对钢管 混凝土结构力学性能的影响，提供便于工程设计人员使用的实用设计方法，对更 好的为实际工程应用服务具有重要的意义。 本文的主要研究内容是基于纤维模型方法对钢管混凝土拱桥的受力特性及 脱空影响进行分析。本文选用s u s a n t h a 4 1 l 核心混凝土本构模型，利用计算平台 o p e n s e e s ，围绕研究目的，本文主要进行了如下工作： 1 目前用于钢管混凝土计算的模型有纤维模型和有限元模型，因为有限元模 型计算量大，且核心混凝土的本构模型要求用三维模型，而核心混凝土的三维本 构模型目前还不成熟，在钢管混凝土计算中的应用受到限制，因此本文采用纤维 模型。通过介绍纤维模型方法的概念、思路以及采用纤维模型方法分析结构构件 受力全过程的具体计算过程，确定了应用于钢管混凝土受力全过程分析的计算方 法。 2 利用o p e n s e e s 计算平台对一钢管混凝土拱肋分析，将计算结果与该拱肋试 验数据进行对比分析，确定了本文采用的本构模型及计算流程。 3 利用o p e n s e e s 计算平台对一钢管混凝土拱肋分析，分析了不同大小的横向 力对钢管混凝土力学性能的影响，给出承载力折减规律。 4 。本文利用o p e n s e e s 计算平台对一钢管混凝土拱桥进行了脱空计算分析，分 析了脱空的角度长度宽度对其工作性能的影响，系统总结了各个因素的影响关 1 6 山东大学硕士学位论文 系，并提出了钢管混凝土脱粘折减系数及折减模型，为类似工程提供借鉴。 5 将基于纤维模型法的o p e n s e e s 计算平台进行工程应用，以实际工程来检验 纤维模型方法在钢管混凝土拱桥结构中的可应用性，并对不同脱空部位对钢管混 凝土拱桥的极限承载力影响进行初步探讨。 1 7 山东大学硕士学位论文 第二章纤维模型计算方法 2 1 o p e n s e e s 计算平台简介 o p e n s e e s ( o p e ns y s t e mf o re a r t h q u a k ee n g i n e e r i n gs i m u l a ti o n ) 地震工 程模拟的开放体系1 【3 5 l 是由美国国家自然科学基金( n s f ) 资助、西部大学联盟“太 平洋地震工程研究中心 及设在伯克利加州大学的机构太平洋地震工程研究中 一b p e e r ( p a c i f i ce a r t h q u a k ee n g i n e e r i n gr e s e a r c hc e n t e r ) 牵头开发的用于 结构和岩土方面地震反应模拟的一个较为全面且不断发展的开放的程序软件体 系。 o p e n s e e s 程序自1 9 9 9 年正式推出以来，已广泛用于太平洋地震工程研究中心 和美国其它一些大学和科研机构的科研项目中，较好的模拟了包括钢筋混凝土结 构、桥梁、岩土工程在内众多的实际工程和振动台试验项目【4 3 】。证明其具有较 好的非线性数值模拟精度。该程序正在引起世界各国结构工程领域众多研究人员 的关注和重视，而在国内也开始有少数学校开展了一些初步的学习和相关的研究 工作【4 引。 目氤j o p e n s e e s 具有两大特点即源代码的开放性与软件的构架性： 1 ) 源代码的开放性 o p e n s e e s 按标准的开放源代码方式编制，所有程序源代码都是公开的，在它 的网站上( h t t p ：o p e n s e e s b e r k e l e y e d u ) ，用户可以免费下载全部源代码、 使用说明及开发说明。正是由于o p e n s e e s 具有开放性，使得众多用户可按实际的 需要对o p e n s e e s 进行更新、升级，因而能加速o p e n s e e s 的发展。o p e n s e e s 的源代 码用c + + 语言编写，解释程序则用t e l 脚本语言，掌握两种语言并具有一定的程序 开发经验的用户均可进行o p e n s e e s 的开发。 2 ) 软件的构架性 所谓构架( 或称平台) 是在一个特别领域由一系列共同运转的分体软件组 成，它具有松散的结构，各分体软件可以互相交换，也能重新组合己存在的分体 和新开发的分体，不需改变源程序而形成新的计算功能，因而便于软件的拓展和 重新利用。o p e n s e e s 中的各个部分被设计成独立的模块，通过基于t c l 的解释程 序连接，根据不同的对象，组合成不同的软件。用户可以根据需要添加新的模块， 1 8 山东大学硕士学位论文 不变部分仍然利用原有的分体。例如，对于某种新材料结构，仅需添加一个新的 材料模块，而单元、解方程等过程仍选用己有的模块，然后构成新的软件。 作为一个功能强大的有限元非线性分析程序平台，o p e n s e e s 程序中包含了众 多分析内容和求解选项。总的来说，这些核心代码按功能可分为三大模块，分别 是建立有限元模型，进行( 非) 线性分析以及输出控制相应的计算结果。o p e n s e e s 中建立有限元模型对象前，首先要建立相应的子对象，即材料对象、截面对象、 节点对象、单元对象、荷载对象和约束对象等，由它们组合形成有限元模型对象。 o p e n s e e s 可用于分析的材料对象比较丰富，有多种截面形式和单元类型可供 选择，可以施加的荷载种类比较广泛，能够考虑受力变形的二阶效应，等等。在 进行( 非) 线性分析时，由使用者确定积分法则、迭代准则和容差判敛方法等，对 使用者而言选择的灵活度较大。在后处理阶段，o p e n s e e s 允许用户确定要输出和 记录哪些计算结果，而其它量可以不予输出，从而方便使用者观察有限元分析的 数值结果。 o p e n s e e s 目前的功能：o p e n s e e s 具有丰富的本构模型和单元模型，可以用于 结构( 包括混凝土、钢、岩土等) 的各种分析，如线弹性、非线弹性、弹塑性以及 动力时程分析。但它目前还只能作为研究工具，其用户界面、前后处理功能还不 完善。总之，o p e n s e e s 还处于发展过程中。 2 2 纤维模型计算方法 目前用于钢管混凝土计算的有限元模型有纤维模型和有限元模型，由于本 文中采用的有限元模型是纤维模型，所以本节将介绍纤维