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      帶肋方鋼管混凝土柱的經(jīng)濟(jì)性分析

      2010-09-04 08:25:30黃義勇
      鐵道建筑 2010年10期
      關(guān)鍵詞:墩柱鋼材橋墩

      黃義勇,黃 宏

      (1.中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,上海 200070;2.華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院,南昌 330013)

      方鋼管混凝土是在方形鋼管中灌注混凝土而成的組合構(gòu)件,具有承載力高、抗彎剛度大、節(jié)點(diǎn)形式簡單、建筑布局靈活、耐火性能好、制作和施工方便等特點(diǎn)[1]。應(yīng)用在高層建筑和橋墩中的方鋼管混凝土,其截面尺寸一般都比較大,在荷載的作用下管壁較易產(chǎn)生向外的局部鼓曲,這樣就降低了構(gòu)件的承載力。以往的研究結(jié)果表明[2-5]:設(shè)置縱向加勁肋能有效改善鋼管管壁的穩(wěn)定性,增強(qiáng)鋼管對核心混凝土的約束作用,從而提高此類構(gòu)件的極限承載力。

      本文擬以濟(jì)南—廣州國家高速公路江西瑞金至尋烏段的K1 493+980塘坊分離式立交橋橋墩為算例,根據(jù)當(dāng)前江西省材料市場供應(yīng)和加工價(jià)格,對鋼筋混凝土、方鋼管混凝土和帶肋方鋼管混凝土橋墩墩柱的工程造價(jià)進(jìn)行了計(jì)算比較,從而對帶肋方鋼管混凝土的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析,以期為有關(guān)工程設(shè)計(jì)提供參考。

      1 設(shè)計(jì)方法

      本文帶肋方鋼管混凝土柱的設(shè)計(jì)方法是在江西省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)DB 36/J001—2007《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的基礎(chǔ)上,考慮縱向加勁肋的貢獻(xiàn),對規(guī)程中方鋼管混凝土柱的承載力計(jì)算公式進(jìn)行必要修正,修正后的計(jì)算公式得到了大量試驗(yàn)和有限元分析結(jié)果的驗(yàn)證,計(jì)算結(jié)果稍偏于安全[2-3]。

      1.1 鋼管寬厚比限值

      江西省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中方鋼管混凝土構(gòu)件鋼管寬厚比限值(B/t)0為

      其中,fy為鋼材的屈服強(qiáng)度。當(dāng)方鋼管寬厚比 B/t超過其限值(B/t)0時(shí),則有必要采取設(shè)置縱向加勁肋的構(gòu)造措施來提高管壁的穩(wěn)定性。

      1.2 加勁肋尺寸設(shè)計(jì)

      縱向加勁肋尺寸的確定是帶肋方鋼管混凝土柱設(shè)計(jì)中必須考慮的問題:加勁肋尺寸過小,加勁作用不明顯,不能有效改善管壁的穩(wěn)定性,而加勁肋尺寸過大勢必造成鋼材的浪費(fèi),所以有必要把加勁肋的尺寸控制在適宜的范圍內(nèi)。同時(shí)本文建議加勁板件的取材宜與鋼管相同,這樣有利于加勁肋的取材和制作。

      文獻(xiàn)[2]在前人研究的基礎(chǔ)上,根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析,提出了縱向加勁肋的慣性矩要求計(jì)算公式

      其中,ω為子板件的寬度,單肋取為B/2,雙肋取 B/3;fy為鋼材的屈服強(qiáng)度。當(dāng)加勁肋慣性矩Is不小于設(shè)計(jì)要求值Is,re時(shí),加勁肋的尺寸才是適宜的。

      1.3 軸壓承載力設(shè)計(jì)

      江西省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中方鋼管混凝土軸壓強(qiáng)度承載力Nu的計(jì)算公式為

      其中,Asc為方鋼管和混凝土二者的截面面積之和;fsc為方鋼管混凝土的組合軸壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;ξ為約束效應(yīng)系數(shù);As為方鋼管的截面面積;f為鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,Ac為混凝土的截面面積;fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

      文獻(xiàn)[2]建議縱向加勁肋對構(gòu)件軸壓承載力的貢獻(xiàn)Astfst可直接加入式(3)中,從而得到帶肋方鋼管混凝土軸壓強(qiáng)度承載力Nuc的計(jì)算公式為

      其中,Ast為構(gòu)件橫截面內(nèi)加勁肋的面積之和;fst為加勁肋的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

      1.4 抗彎承載力設(shè)計(jì)

      江西省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中方鋼管混凝土抗彎承載力Mu的計(jì)算公式為

      其中,γm為抗彎承載力計(jì)算系數(shù);Wsc為方鋼管混凝土的截面抗彎模量,Wsc=B3/6;ξ為約束效應(yīng)系數(shù)。

      文獻(xiàn)[3]建議縱向加勁肋對構(gòu)件抗彎承載力的貢獻(xiàn)Wstfst可直接加入式(7)中,從而得到帶肋方鋼管混凝土抗彎承載力Muc的計(jì)算公式為

      其中,Wst為加勁肋的截面抗彎模量;fst為加勁肋的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

      1.5 壓彎承載力設(shè)計(jì)

      江西省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》給出了方鋼管混凝土壓彎構(gòu)件的N/Nu-M/Mu相關(guān)方程

      對于帶肋方鋼管混凝土壓彎構(gòu)件,可分別用Nuc和Muc替換相關(guān)方程(10)中Nu和Mu[3];由此得到帶肋方鋼管混凝土壓彎構(gòu)件的N/Nuc-M/Muc相關(guān)方程為

      其中,Nuc為構(gòu)件的軸壓承載力,由式(6)確定;Muc為構(gòu)件的抗彎承載力,由式(9)確定;N為軸壓承載力;M為抗彎承載力;其余參數(shù) a、b、c、d、φ、ηo的確定方法見江西省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)DB 36/J001—2007《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中的相關(guān)規(guī)定。

      2 設(shè)計(jì)方案

      瑞金市境內(nèi)K0+187立交橋是一座采用獨(dú)柱式橋墩的跨線立交橋(濟(jì)南—廣州國家高速公路江西瑞金至尋烏段),橋型布置見圖1。該橋上部結(jié)構(gòu)形式為13 m+18 m+18 m+13 m的四跨鋼筋混凝土連續(xù)梁,下部橋墩采用獨(dú)柱式橋墩,橋臺(tái)采用樁基接臺(tái)帽,樁基均采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

      現(xiàn)以①號橋墩墩柱為例,如圖2所示。墩柱高度H=8.5 m,墩柱設(shè)計(jì)荷載為:彎矩 M′=1 530.0 kN·m,軸力N′=3 000.0 kN。以下分別采用鋼筋混凝土、方鋼管混凝土和帶肋方鋼管混凝土三種方案對①號橋墩墩柱進(jìn)行設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)的原則是保證三種方案的實(shí)際承載力接近,表1中分別列出了三種設(shè)計(jì)方案的實(shí)際承載力。

      圖1 橋型布置(單位:cm,高程單位:m)

      方案一:設(shè)計(jì)為鋼筋混凝土獨(dú)柱式橋墩。墩柱直徑D=1.2 m;鋼筋采用HRB335,鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f=300 MPa;混凝土采用 C30,混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 fc=14.3 MPa。

      表1 三種方案的允許承載力比較

      圖2 ①號橋墩墩柱(單位:cm)

      方案二:設(shè)計(jì)為方鋼管混凝土獨(dú)柱式橋墩。墩柱的截面邊長B=0.65 m,方鋼管壁厚t=14 mm;鋼材采用Q345,鋼材屈服強(qiáng)度fy=345 MPa,鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f=310 MPa;混凝土采用C40,混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc=19.1 MPa;采用噴涂防火涂料的防火措施,防火保護(hù)層厚度取10 mm(耐火極限2 h)。

      方案三:設(shè)計(jì)為帶肋方鋼管混凝土獨(dú)柱式橋墩。墩柱的截面邊長B=0.75 m,方鋼管壁厚t=7.5 mm;鋼材采用Q345,鋼材屈服強(qiáng)度fy=345 MPa,鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 f=310 MPa;混凝土采用C40,混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc=19.1 MPa;采用噴涂防火涂料的防火措施,防火保護(hù)層厚度取10 mm(耐火極限2 h);方鋼管的寬厚比不滿足規(guī)范規(guī)定的寬厚比限值要求,因此在每個(gè)管壁內(nèi)側(cè)中部設(shè)置一條縱向加勁肋,加勁肋的高度hs=150 mm,加勁肋的厚度ts=7.5 mm。

      3 經(jīng)濟(jì)性分析

      表2、表3分別列出了①號橋墩墩柱采用鋼筋混凝土、方鋼管混凝土和帶肋方鋼管混凝土柱的材料用量情況。

      帶肋方鋼管混凝土柱與方鋼管混凝土柱相比,雖然增加了部分的混凝土和防火涂料的費(fèi)用,但卻節(jié)省了將近40%的鋼材費(fèi)用,因此降低了29%的工程造價(jià),經(jīng)濟(jì)效益顯著。

      而帶肋方鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土柱相比,帶肋方鋼管混凝土柱的混凝土費(fèi)用減少了52%,但鋼材費(fèi)用卻提高了88%,且防火涂料費(fèi)用也略比模板費(fèi)用高,所以導(dǎo)致帶肋方鋼管混凝土柱的工程造價(jià)比鋼筋混凝土柱高出35%。

      表2 鋼筋混凝土柱的材料用量

      表3 方鋼管混凝土柱和帶肋方鋼管混凝土柱的材料數(shù)量

      綜上所述,在實(shí)際工程應(yīng)用中,帶肋方鋼管混凝土柱比鋼筋混凝土柱略占優(yōu)勢,尤其是有大量墩柱的工程,帶肋方鋼管混凝土施工方便和縮短工期的優(yōu)勢更為明顯;同時(shí)帶肋方鋼管混凝土橋墩結(jié)構(gòu)輕巧美觀,墩柱截面較小,橋下通視情況好,特別是在橋?qū)捿^大的城市橋和立交橋中,能保證墩身具有較大的強(qiáng)度和剛度。

      4 結(jié)論

      1)帶肋方鋼管混凝土柱與方鋼管混凝土柱相比,節(jié)省了40%左右的鋼材費(fèi)用,降低了29%的工程造價(jià),經(jīng)濟(jì)效益顯著。

      2)帶肋方鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土柱相比,混凝土費(fèi)用減少了52%,鋼材費(fèi)用提高了88%,工程造價(jià)高出了35%。

      3)帶肋方鋼管混凝土柱具有施工方便和縮短工期的明顯優(yōu)勢,施工工期縮短了一半以上,因此在實(shí)際工程應(yīng)用中,帶肋方鋼管混凝土柱比鋼筋混凝土柱略占優(yōu)勢,綜合效益良好。

      [1]韓林海.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)—理論與實(shí)踐(第二版)[M].北京:科學(xué)出版社,2007.

      [2]陶忠,于清.新型組合結(jié)構(gòu)柱—試驗(yàn)、理論與方法[M].北京:科學(xué)出版社,2006.

      [3]王冬曄.帶肋薄壁方鋼管混凝土柱力學(xué)性能研究[D].福州:福州大學(xué),2006.

      [4]張耀春,陳勇.設(shè)直肋方形薄壁鋼管混凝土短柱的試驗(yàn)研究與有限元分析[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2006,27(5):16-22.

      [5]黃宏,李毅,張安哥.帶肋方鋼管混凝土軸壓短柱的試驗(yàn)研究[J].鐵道建筑,2009(12):113-115.

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