鋼管混凝土組合截面計算方法及其在midas中的實現(xiàn)

【關(guān)鍵詞】鋼管混凝土；組合構(gòu)件；換算截面；midas模擬 

　　一、引言 

　　鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)出現(xiàn)至今已經(jīng)有近100年的歷史，我國在60年代初期開始研究這種結(jié)構(gòu)，90年代后，鋼管混凝土在拱橋結(jié)構(gòu)中大量應用，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益和美學效果。鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)是由普通混凝土填入薄壁圓形鋼管內(nèi)而形成的組合結(jié)構(gòu)，鋼管內(nèi)填混凝土增強了鋼管壁的局部穩(wěn)定性，鋼管對核心混凝土的套箍約束作用，使其處于三向受壓狀態(tài)，薄壁鋼管與核心混凝土相互彌補了彼此弱點，并且充分發(fā)揮各自優(yōu)點，從而使得鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)具有更高的抗壓強度和更好的變形能力。通常情況下，鋼管混凝土是在其彈性范圍內(nèi)工作的，可按彈性理論進行設(shè)計計算。 

　　二、組合截面內(nèi)力計算原理 

　　1.彈性理論基本假設(shè) 

　　鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)彈性設(shè)計的主要計算內(nèi)容是組合截面應力應變，確保結(jié)構(gòu)的截面強度、剛度和穩(wěn)定性，截面應力計算是最核心內(nèi)容。按彈性理論計算鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)時，做下列假設(shè)：（1）完全彈性假設(shè)，鋼材和混凝土都在彈性變形范圍內(nèi)工作。（2）平截面假設(shè)，組合梁在受力彎曲后，其原來的橫截面仍為平面，并繞垂直于縱對稱面的某一軸旋轉(zhuǎn)，且垂直于梁變形后的軸線。（3）兩種材料之間連接可靠，無相對滑移。 

　　基本假設(shè)與材料力學中采用的基本假設(shè)一致，因而原則上可以利用材料力學公式計算組合截面的應力和變形。 

　　2.截面特性換算 

　　鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)是兩種不同性質(zhì)的材料組合的復合結(jié)構(gòu)，因此首先解決截面換算問題，即將兩種材料換算為具有相同彈性模量的同一種材料。在鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)計算時，通常將混凝土截面用等效的鋼材截面代替，這種代替后的截面稱為換算截面。這種等效代替，就是要保證換算前后截面承受的合力大小不變，而且其應變相等。利用換算截面的截面特性值，即可直接采用材料力學中的公式進行組合截面應力應變計算。 

　　鋼、混凝土組合換算后，形成的組合截面中性軸，需重新計算換算截面特性，則有： 

　　式中：為組合截面彈性模量；分別為組合截面面積、鋼截面面積、混凝土截面面積；分別為組合截面慣性矩、鋼截面慣性矩、混凝土截面慣性矩；分別鋼截面形心到組合截面中性軸距離、混凝土截面形心到組合截面中性軸距離。 

　　3.組合截面應力計算 

　　在軸力N和彎矩M作用時，根據(jù)等效換算原理，鋼—混凝土組合截面距中性軸為y的橫線上任意一點，無論該點處在混凝土截面還是鋼截面，都有相同的應變，即平行于中性軸的橫線上所有點的應變都相等： 

　　4.截面內(nèi)力計算 

　　組合截面受到軸力N和彎矩M的作用，產(chǎn)生變形，將內(nèi)力按一定比例分配給鋼截面和混凝土截面，這里的分配，實際是一個等效的作用，是對應力與變形的等效，等效的結(jié)果是如果分配到的內(nèi)力單獨作用于鋼截面或者混凝土截面，任意一點產(chǎn)生的應力應變等于N、M是作用于組合截面時該點的應力應變，則有： 

　　三、算例 

　　1.拱肋應力理論值計算 

　　對照表1可知，軸向分配力之和等于單元內(nèi)力，而彎矩分配力之和不等于單元內(nèi)力。如果組合截面各組成部分單獨受力，大小等于對應的分配力，此時構(gòu)件產(chǎn)生的應力和變形，與組合截面實際的應力和變形是相等的。這里的分配力，實際是一個等效力，是對應力與變形的等效。 

　　2.組合截面在midas中的實現(xiàn) 

　　在midas軟件中，用梁單元模擬拱肋，用施工聯(lián)合截面模擬組合截面，利用midas中“截面特性計算器”功能計算截面特性值，計算結(jié)果小于實際截面特性值，因此，需要對截面特性值進行修改。計算時拱肋截面內(nèi)力見表1，midas計算后，對應截面的應力和各部分截面內(nèi)力分別見表5、表6。 

　　對照理論計算結(jié)果（表2、表3），表明鋼管混凝土組合截面在不考慮混凝土與鋼管壁之間的滑移時，midas的計算結(jié)果和理論計算值吻合較好。在midas軟件中，利用梁單元“施工階段聯(lián)合截面”功能，可以比較精確地實現(xiàn)鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)的計算。在建模時應注意截面特性值的計算，midas中“截面特性計算器”導入dxf圖形文件計算截面特性值的方法所得結(jié)果偏小，導致結(jié)構(gòu)計算應力及變形偏大，在定義聯(lián)合截面的時候，需要手動輸入截面特性值。 

　　參考文獻： 

　　[1]陳寶春.鋼管混凝土拱橋（第二版）[M].北京：人民交通出版社，2007. 

　　[2]黃僑.橋梁鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計原理[M].北京：人民交通出版社，2011. 

　　[3]康小英.組合截面計算淺析[C].橋梁設(shè)計年會專輯，2005（11）：120-122.