一种桥梁用钢管钢纤维混凝土结构抗弯刚度的计算方法

摘要

一种桥梁用钢管钢纤维混凝土结构抗弯刚度的计算方法，以准确模拟桥梁用钢管钢纤维混凝土结构的抗弯刚度，从而准确计算模拟结构内力和变形，为该类型结构设计提供理论依据，满足实际工程需要。该方法包括如下步骤：①通过钢纤维混凝土试件试验，得到钢纤维掺入体积百分比为α的钢纤维混凝土压缩弹性模量E

说明书

技术领域

本发明涉及建筑工程技术，特别涉及一种桥梁用钢管钢纤维混凝土结构抗弯刚度的计算方法。

背景技术

钢管混凝土拱桥属于钢管与混凝土组合结构中的一种。钢管混凝土拱桥是将钢管内填充混凝土，由于钢管的径向约束而限制受压混凝土的膨胀，使混凝土处于三向受压状态，从而显著提高混凝土的抗压强度。同时钢管兼有纵向主筋和横向套箍的作用，同时可作为施工模板，方便混凝土浇筑，施工过程中，钢管可作为劲性承重骨架，其焊接工作简单，吊装重量轻，从而能简化施工工艺，缩短施工工期。

目前，国内文献和规范均仅对钢管混凝土结构的刚度进行了介绍，如下所示：

一、国标《钢管混凝土拱桥技术规范》(GB50923-2013)中对钢管混凝土拱结构抗弯刚度计算公式为：

(EI)

二、论文《铁路桥梁钢管混凝土结构基本设计参数研究》(徐升桥..铁道标准设计2011(03):52-55.DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2011.03.017.)中对钢管混凝土拱结构抗弯刚度计算公式为：

EI＝E

其中η

钢管钢纤维混凝土结构的力学性能与钢管混凝土拱结构有所不同，其钢纤维混凝土的抗拉性能比普通混凝土的抗拉性能好得多，钢纤维混凝土的弹性模量也不同于普通混凝土，若还采用普通的钢管混凝土结构的抗弯刚度计算方法，将无法体现钢纤维混凝土结构的力学性能优势，无法精确模拟结构的变形，使得设计误差变大，造成工程结构的浪费，甚至影响结构的安全。另外，钢管混凝土结构通常是偏心受压构件，即除了承受轴向压力的同时，也承担了弯矩。假设该弯矩从零开始慢慢增大，钢管内混凝土从全截面受压过渡到轻微受拉，最后演变为严重受拉(导致开裂)三种受力状态。传统普通钢管混凝土结构的抗弯刚度计算方法无法模拟管内混凝土在全截面受压、轻微受拉和严重受拉三种状态下钢管混凝土抗弯刚度的变化，对于受拉性能优于普通混凝土的钢纤维混凝土，若不加以区别计算，将使得结构计算误差更为明显。如果全部按严重受拉计算，将造成工程浪费，或者全部按全截面受压计算，又会导致结构不安全。进一步分析可知，目前国内文献和规范中仅针对普通钢管混凝土结构按严重受拉来确定其刚度计算方法。

因此，该领域存在技术不足，迫切需要提出一种能体现钢管钢纤维混凝土力学性能的抗弯刚度计算方法，为工程设计提供理论依据。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种桥梁用钢管钢纤维混凝土结构抗弯刚度的计算方法，以准确模拟桥梁用钢管钢纤维混凝土结构的抗弯刚度，从而准确计算模拟结构内力和变形，为该类型结构设计提供理论依据，满足实际工程需要。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明一种桥梁用钢管钢纤维混凝土结构抗弯刚度的计算方法，包括如下步骤：

①通过钢纤维混凝土试件试验，得到钢纤维掺入体积百分比为α的钢纤维混凝土压缩弹性模量E

②通过以下公式确定钢管钢纤维混凝土结构的抗弯刚度(EI)

(EI)

式中，E

其中，钢纤维影响因子μ利用公式E

其中，钢管内钢纤维混凝土受拉影响系数β按如下方法确定：

当

当

当

式中，σ

本发明的有益效果是，在本发明的计算方法中，其组成部分“E

具体实施方式

下面实施例对本发明进一步说明。

本发明一种桥梁用钢管钢纤维混凝土结构抗弯刚度的计算方法，包括如下步骤：

①通过钢纤维混凝土试件试验，得到钢纤维掺入体积百分比为α的钢纤维混凝土压缩弹性模量E

②通过以下公式确定钢管钢纤维混凝土结构的抗弯刚度(EI)

(EI)

式中，E

其中，钢纤维影响因子μ利用公式E

其中，钢管内钢纤维混凝土受拉影响系数β按如下方法确定：

当

当

当

式中，σ

由于钢纤维混凝土的极限抗拉强度σ

实施例：

某铁路桥设计采用跨度为430m的钢管混凝土拱桥方案，为提高管内混凝土的抗拉能力，并减少开裂导致刚度下降，在管内混凝土掺入了按1.5％体积比例的钢纤维。

如下表1为直径1.6m的管内钢纤维混凝土在全截面受压、轻微受拉、较严重受拉、严重受拉四种状态下，按国标(式1)、论文(式2)、本发明(式3)分别计算得到抗弯刚度的计算表。如下表2为管内钢纤维混凝土轻微受拉时，在满足桥梁设计刚度的情况下，钢管直径和钢材、混凝土用量对比表。

从表1可知，在管内钢纤维全截面受压、轻微受拉、较严重受拉三种状态下，本发明计算所得的刚度均比国标或论文所述的方法提高15％～50％左右。从表2可知，在满足同样桥梁刚度需求的情况下，管内钢纤维混凝土处于轻微受拉时，采用本发明(式3)计算需要的钢管直径为1.6m，采用国标(式1)或者论文(式2)计算所需要的钢管直径分别为1.755m和1.81m，采用本发明计算直径减小10％左右，钢管材料用量节省约10％，混凝土用量节省约20％，以430m钢管混凝土拱桥计算为例，钢材节省555t，管内混凝土节省2071m

表1 钢管钢纤维混凝土抗弯刚度计算(相同钢管直径和钢纤维掺量)

表2 钢管钢纤维混凝土抗弯刚度计算表(相同抗弯刚度)

本发明提供的一种桥梁用钢管钢纤维混凝土结构抗弯刚度的计算方法，能合理体现不同钢纤维掺量对钢管钢纤维混凝土结构抗弯刚度的贡献，且能区分管内钢纤维混凝土受压、或受拉严重程度不同而导致钢管钢纤维混凝土结构抗弯刚度的变化。避免了传统钢管混凝土刚度计算方法不能区分管内混凝土受拉严重程度导致刚度变化的缺点，为钢管钢纤维混凝土结构合理设计提供科学依据，合理节省工程造价。