摘要：本文根据杭州钱塘江四桥85m 跨径的钢管混凝土拱桥的截面形式，对设置纵肋后的普通圆钢管混凝土小偏心受压构件进行系统分析，研究的主要参数是纵肋数量、纵肋高度以及纵肋厚度。通过采用有限元软件ANSYS 计算分析得出，普通圆钢管混凝土设置纵肋后，其偏压承载力能提高10%～15%，偏压承载力提高值受纵肋与钢管壁面积比影响，比值越大，偏压承载力提高越多，但是纵肋部份的钢材强度越不能充分发挥，统计分析结果显示纵肋与钢管壁面积比在0.5690 以下比较好。纵肋作为加强钢管刚度的部件，设置纵肋后提高的承载力作为安全储备是正确合适。
关键词：钢管混凝土；ANSYS；有限元；带肋截面；承载力
1．引言
钢管混凝土拱桥以其跨跃能力大、适应能力强、承载能力大、施工快捷、地基适应能力强、造型优美等优点而在短短十几年的时间里得到飞速发展，使得对钢管混凝土的研究也越来越深入和广泛。在大直径钢管混凝土拱桥中，由于管径过导致在混凝土浇筑后但未形成强度前或在工程投入使用后产生局部屈曲，在工程中应尽量采取合理的构造措施，如杭州钱塘江四桥在钢管内设置6条高250mm厚22mm的纵肋。随着钢管混凝土拱桥跨径地增大，钢管的尺寸也在增大，需要设置的纵肋的数量和尺寸就需要相应地变化。由于带肋钢管混凝土截面是桥梁工程中一种新型截面形式，为此有必要根据钢管混凝土拱桥的受力特点对带肋钢管混凝土拱肋截面形式进行研究。
钢管混凝土拱桥的拱肋在建造及使用过程受到的作用是轴力和弯矩联合作用的偏心受压。在工程上应用较多的则是根据《JTJ022—85》[1]和《JTJ023—85》[2]对钢管混凝土拱桥进行正截面强度验算和稳定验算。强度验算时考虑偏心距对纵向压力的影响，并对偏心距进限制；稳定验算时，将肋拱拟合成一根等效长度的简支压杆，然后应用截面塑性破坏的弯矩、轴力相关曲线计算其失稳极限荷载的近似计算方法。因此本文主要对带肋圆钢管混凝土短柱小偏心受压时的受力状况进行分析。
由于受试验条件和规模的限制，不可能通过试验对各种情况进行分析，而且进行物理试验周期长、成本高，试验数据的积累将是一个漫长的过程;另一方面随着计算机技术的迅猛发展，一些结构有限元分析软件日趋成熟，计算精度日趋提高，随着有限元数值分析方法及电子计算机应用技术的进步，人们已经可以对结构作出比较精确的弹塑性分析，对结构试验进行计算机模拟。鉴于上述原因，本文主要采用有限元软件ANSYS进行数值试验。
本文分析研究了纵肋数量、纵肋厚度、纵肋高度等对带肋钢管混凝土截面承载力的影响规律。
2．建模及求解
在有限元建模过程中，在明确了需要研究的各参数之后还需要确定所用材料的本构关系以及模型各部份所用的单元形式和相应的参数。在有限元求解过程中需要设置收敛标准、加载方式、荷载步等求解选项。
本文建模时采用的原型截面尺寸为钢管外直径1700mm，钢管壁厚22mm，纵肋数量12条，纵肋高度为50mm，纵肋厚度22mm，混凝土强度等级为C50，偏心距为150mm，由于工程常使用Q345，故钢材型号不作为试验参数。当研究其中某一参数时，仅该参数做相应的变化，其他尺寸保持为原型截面尺寸。各参数变化值见表1～表6。
ANSYS 程序中分析钢材的弹塑性问题采用的Von-Mises 屈服准则[3],钢材的本构关系在本文中采用五段式钢材本构关系[4]。钢管采用八节点实体单元Solid45 单元模拟，钢管的弹性属性选择各向同性材料，弹性模量按照规范给定的取值2.0X105MPa，泊松比取0.283。混凝土单元采用八节点实体单元Solid65 单元模拟。
混凝土的破坏准则采用在ANSYS 程序中默认的混凝土破坏准则——William-Warnke 破坏准则[5]，本构关系采用普通圆钢管混凝土的约束混凝土本构关系[6]。混凝土的弹性模量，单轴抗压强度和单轴抗拉强度按我国《混凝土结构设计规范》确定，泊松比根据韩林海提出
在分析时关闭混凝土的压碎功能。为了便于解决迭代的收敛问题，开口裂缝剪力传递系数取为0.35，闭口裂缝剪力传递系数取为0.9 较为合理。
对于钢材的单元划分，纵肋沿高度方向划分为2 个单元，厚度方向为1 个单元；钢管壁在被纵肋分割的区间内沿周长方向划分为2 个单元（6 片纵肋的为3 个单元），厚度方划为1个单元，在纵肋与钢管焊接的部份确定为1 个单元，所有材料属性为钢材的部分均采用映射划分。
对于混凝土部分的单元划分，从钢管内壁向圆心方向被纵肋所分隔的部分，其单元划分与对应的钢材部分的单元划分相同，而未被纵肋分隔的中心混凝土采用自由划分，整个试件沿轴向划分为30个单元。
3．实验及结果分析
增加纵肋数量而使截面的钢材用量增加，并且由于纵肋数量的增加，改变了原有纵肋的分布形式，纵肋间距减小，通过表4 反映出，试件的偏压承载力在不断地提高。
从表5 中可以看出，当纵肋数量在变化时，纵肋与钢管壁面积之比也在不断变化之中，带肋钢管混凝土相对于普通圆钢管混凝土的偏压承载力增加值与普通圆空钢管的偏压承载力的比值均小于纵肋与钢管壁面积比值0.15～0.17，纵肋部份的钢材的承载力损耗比较大。通过改变纵肋数量而改变纵肋与钢管壁面积比值的方法对纵肋部份钢材承载力的损耗影响改变并不大。
根据表6 不同高度纵肋试验数据统计结果可以得出：纵肋高度数值越大，其偏压承载力越高。
从表7 可以发现，纵肋高度大于250mm 时，纵肋与钢管面积之比大于0.5690，普通圆钢管混凝土设置纵肋后其偏压承载力增加量仅相当同型号尺寸空钢管偏压承载力0.4753，纵肋部份钢材的强度作用未能充分发挥，有超过20%的损耗。而当纵肋高度不大于250mm 时，只有不超过15%的损耗，且纵肋高度越小，其损耗越小。
根据试验结果可知，改变纵肋厚度对于试件偏压承载力的改变是比较大。从表8 中可以看出，偏压承载力增加最多的是纵肋厚度从18mm 增加至22mm 时，当厚度大于22mm 时，偏压承载力增加的幅度有降低的趋势。
从表9 中可以知道，只有在纵肋与钢管壁面积之比为0.5690，纵肋厚为22mm 时，其纵肋部份钢材的强度承载力损耗是最少是，仅为15%；当纵肋与钢管壁面积之比小于0.5690时，其承载力损耗在20%左右；当纵肋与钢管壁面积之比大于0.5690 时，其承载力损耗逐渐增大，当纵肋与钢管壁面积之比达到0.9 时，其承载力损耗达到30%，损耗非常大。由于可知，通过增加纵肋厚度的方法增加纵肋与钢管壁的面积比从而达到增加偏压承载力的途径是非常不可取的。
4．总结
综合所有结果分析可以知道，普通圆钢管混凝土在设置纵肋后，其偏压承载力都有少许提高。纵肋与钢管壁的面积比越高其承载力越高，但是其纵肋部份的钢材强度越不能充分发挥，纵肋与钢管壁的面积比应控制在0.5690 以下。纵肋数量变化时，其纵肋部份承载力损耗都在15%左右；由于是小偏压，纵肋高度变化时的纵肋部份承载力损耗要小于纵肋厚度变化时的情况，但要大于纵肋数量变化时的情况。由于设置纵肋后对偏压承载力提高不多，且纵肋与钢管壁的面积比控制在0.5690 以下时，其纵肋部份钢材强度承载力损耗不多，所以将纵肋用作提高钢管的刚度，并把这部份的承载力提高作为安全储备是合适。
参考文献
[1] JTJ022—85,公路砖石及混凝土桥涵设计规范［S］.北京:交通部,1985.
[2] JTJ023—85.公路钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土桥涵设计规范［S］.北京:交通部,1985.
[3]Comite Euro-International du Beton. Bulletin D' information N0.213/214 CEB-FIP Model code 1990 (Concrete Structures).Lausanne, May 1993.
[4]徐兴,程晓东,凌道盛.钢管混凝土轴心受压构件极限承载力的有限元分析.固体力学学报,2002.12, 23(4):419—424.
[5]江见鲸,陆新征,叶列平.混凝土结构有限元分析［M］.北京:清华大学出版社,2005.7.
[6]韩林海. 钢管混凝土结构［M］. 科学出版社,1994.
[7]徐鹤山,ANSYS 在建筑工程中的应用［M］.北京:机械工业出版社,2005. 8.
