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摘要：本文对小型钢管混凝土应用于预应力混凝土简支空心板作出了基本构想，以公路桥梁20米跨径预应力混凝土简支空心板作为研究对象，在其构造上作少许改动，将小型钢管混凝土结构应用于其内部，重新计算结构变化后在正截面受压区抗压、斜截面抗剪等主要方面的提高，并初步论述了其结构在变化后相对原结构在力学和防灾等方面的提高。
关键词：小型钢管混凝土 替换 正截面抗压 斜截面抗剪 防火 抗震
Abstract
The paper covers the basic conceivation of the small size concrete-filled steel tubular applied to the prestressed concrete simple supported hollow slab.
I take the prestressed concrete simple supported hollow slab with little structurally r emoulding of 20 miles highway bridge span as the research object，The small size concrete-filled steel tubular structures is applied to the inside of the prestressed concrete simple supported hollow slab.Recalculate the enhancement of the resist compression of the normal sectioncompressive zone and the shearingstrength of the sloping section after the inside is remoulded.Preliminary express the enhancement in mechanics and disaster prevention comparatively to primary structure after the remoulding.
Keywords：
small size concrete-filled steel tubular replace
esist compression of the normal section compressive zone
shearingstrength of the sloping sectionsloping section
fireproofing anti-seismic
1.引言
在现代桥梁工程中，由于普通混凝土技术日趋成熟，预应力技术的广泛应用，不但节省材料，改善结构功能，使其跨度不断增大，但是随着跨度的不断增加，预应力混凝土结构在裂缝控制，整体结构的抗震方面仍然不足。
钢管混凝土由于其钢管内包裹混凝土，大大的提高了其结构内混凝土的抗压和抗剪强度，而且由于钢管内混凝土的抗力，钢管不会出现向里屈曲而失稳的现象；又由于整个结构的整体优越性，在抗震方面的弹性和延性较高。钢管混凝土其缺点是外露钢材养护价格高。
本文设计主要兼顾小型钢管混凝土和预应力混凝土结构的优点，又避免了两者部分缺点，讨论小型钢管混凝土应用于混凝土板结构对其结构的优化和提高。
2.方案设计
将原桥梁结构中桥板顶板左右两端2根直径16mm的构造钢筋替换成为同等面积下的小型钢管，钢管直径为R=128mm，管厚为2mm；钢管内混凝土替换成高强度混凝土C60，以提高整个钢管的抗压强度。
图1 原桥板横断面钢筋图 图2新桥板横断面钢筋图
3.小型钢管混凝土区域正截面承载力提高
所布置小型钢管混凝土区域为受压区域，采用《高等钢筋混凝土结构设计》的钢筋混凝土本构理论，主要承受压力图形为曲线，如图所示。上世纪30年代，Whitney建议将混凝土的曲线的压应力用等效的矩形应力图形来替代，以简化计算和设计。所谓等效矩形应力图形，就是在此图形的计算应力合力和合力的作用点和原曲线应力图形一样。如图所示，其等效矩形受压区高度，平均应力为，原曲线应力图形平均应力为，则合力为：
本方案并未与混凝土压应力曲线图吻合，在其压应力最高区域更加提高其钢管面积内的混凝土抗压承载力。
小型混凝土钢管混凝土轴心受压构件采用《钢管混凝土结构》单管柱强度计算，
轴心受压构件的承载力包含强度和稳定，稳定又有整体结构失稳和局部结构失稳，由于整个结构被原混凝土包裹，所以对于小型钢管混凝土结构来说，钢管的内外都有混凝土来约束，所以不会出现整体失稳和局部失稳的情况。
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组合抗压强度标准值：，其中为组合抗压设计值；
=（1.212+1.22475×0.3361－0.23882×0..3361×0.3361）×26.5=42.31172N/；
=0.1759×335/235+0.974=1.22475；
=－0.1038×38.5/20+0.0309=－0.23882；
=（1607.68/50645.06）×（280/26.5）=3.181%×10.56604=0.3361；
式中：
和——钢管和混凝土的强度标准值；
和——钢材和混凝土的强度设计值；
——含钢率；
和——钢管和混凝土的截面面积；
——套箍系数设计值；
=3.14×（129-2）×（129-2）=50645.06mm；
=3.14×（129×129－127×127）=3.14×（16641-16129）=3.14×512=1607.68mm；
式中：
、——钢管的外半径和厚度；
——核心混凝土的外半径；
其中替换面积： =2×3.14×129×129=104505.48mm
整个替换受压区域受压承载力：
=42.31172×104505.48=3594438N=4421.806KN；
被替换受压区原受压承载力：
=22.4×104505.48=2340.923KN；
原板受压区总承载力：
采用原版计算书， =22.4×348×250=
其中钢筋受压由于其变形在弹性变形内，故其受力按混凝土受力计算；
整个替换区域受压承载力提高：
=2080.884KN
由此可见，替换围C60小型钢管混凝土，能将原区域抗压承载力提高2080.884KN，接近原区域的抗压承载力。
4.小型钢管混凝土区域抗剪承载力提高
钢管混凝土临近支座截面中混凝土所替换部分，应考虑混凝土的抗剪作用，假定在纯剪作用下截面达到最终承载力极限状态时，全截面塑性发展，总承载力等于钢管和混凝土两者抗剪之和。
钢管部分抗剪承载力计算：
这部分由于钢管面积和原钢筋面积相等，所以钢管部分对原结构抗剪承载力无提高，仅整体抗剪的稳定性有提高。
混凝土部分抗剪承载力计算，采用Bresler的实验研究成果，认为混凝土在承受剪压的情况下，破坏时的剪应力和正应力关系：
纯剪状态剪应力承载力为：
混凝土抗剪承载力计算：
=0.105×42.31172×104505.48=464.289KN；
原混凝土抗剪承载力计算：
=0.105×22.4×104505.48=245.796KN；
整个替换区域受压承载力提高：
464.289-245.796=218.493KN；
结果表明，由于小型钢管混凝土内混凝土受压承载力的增加，梁的抗剪承载力可以随之明显提高。
5.钢管强度复核
由于小型钢管内壁和外壁由于混凝土强度不同，在承受压应力时钢管内壁和外壁所承受混凝土所带来的压力也不同，二整个结构实际就是把管内外的混凝土的压力差由钢管来承担；考虑其最不利情况，即小型钢管内混凝土强度达到其设计值，同时小型钢管外壁的普通钢筋混凝土也达到其设计值。
计算理论由于之前混凝土受压区应力分布假定其应力分布均匀，直接采用《弹性力学》圆筒受均布压力中拉梅解答：
=－
当r=129时， =－22.4Mpa
当r=127时， =－26.5Mpa
=
当r=129时， =235.916Mpa<280Mpa；
当r=127时， =240.016Mpa<280Mpa；
小型钢管能满足内外混凝土达到设计值时带来的应力差。
6.单体板块的抗震性能的提高
混凝土本身接近脆性材料，地震荷载破坏时候属于脆性破坏，但钢管混凝土中的核心混凝土由于钢管的约束，不仅使用阶段更接近于弹性工作性质，而且破坏时候的变形主要以塑性变形为主。
处于钢管中的核心混凝土由脆性破坏转变为塑性变化，整个构件接近弹塑性体，所以在抵抗地震荷载这种短时间内的高强荷载时，能提供很好的弹性和韧性，避免了整个结构忽然断裂失效的情况。在钢筋混凝土板梁结构中，对于其部分结构抗震承载力验算，主要集中在桥墩与基础连接处、承台与桩的连接处、桩身与基础的连接处、墩身与地面连接处、墩身中部、墩帽与墩身的连接处、盖梁跨中区、桥板跨中区。由此可见在桥梁抗震设计中，桥板区只要验算其跨中在竖向和横向的地震荷载，其中由于横向有相邻板块的限制，所以竖向的地震荷载是其主要的验算荷载。而我国现行的桥梁设计规范是对地震作用乘上一个结构综合抗震系数的方法来考虑结构的弹塑性变形的影响，但是现行规范里面只有对桥墩、桥台、地基、支座的方面的设计标准。而且这一设计大部分情况并不能反映桥墩的真实非线性地震响应及破坏失效规律，并且物理概念不明确，从而带来桥梁抗震设计、设计性能、以及效果都不理想，针对这种强度抗震设计存在的问题，只能借用目前发展比较成熟的地震作用下的延性抗震理论。
延性抗震性能验算所采用的设计准则主要有：强度破坏准则、变形破坏准则、量破坏准则、基于低周疲劳特征的破坏准则以及最大变形和滞回耗能的破坏准则，桥板采用的多是强度破坏准则和延性破坏准则。延性破坏和耗能实际考虑的就是在结构最大延性位移和进入弹塑性阶段的结构塑性变形消耗的输入地震的能量。
其中剪力提高： 218.493KN；
延性曲率实际就是考虑截面的屈服状态和最终极限状态，一般截面曲率的屈服条件实际就是考虑其上截面抗压极限承载力和下截面受拉承载力，而此时上截面抗压承载力提高： =2080.884KN
7.防火验算
在维护方面，维护按照普通钢筋混凝土维护即可。由于小型钢管位于钢筋混凝土内部，从而避免了由于刚才裸露而带来一系列问题，例如钢管混凝土外露，带来众多防腐蚀处理的问题，防火方面由于外包钢材在高温下导致屈服强度降低其问题。
防火保护层厚度计算，采用参考书目（6）中对火灾中钢管混凝土结构的影响计算理论以及保护层厚度计算：
由于整个结构处于混凝土之中，所以长细比对其无大影响；
a. 荷载以整体受压为主，所以荷载偏心率对整个结构防火也无大影响；
b. 所以整个结构主要考虑界面周长、含钢率、钢材屈服极限、混凝土屈服极限的影响，但后三者对火灾下承载力影响系数的影响也不大。
长细比：=L/D=20/0.129=155.0388；
=/40=3.8759；
截面周长：C=2×3.14×0.129=0.81012m；
=0.50633mm；
=0.17h
火灾持续时间按最大计算，即=0.17h
=1.3053
其中：
98.675
=12.3663
=1.749
火灾下构件承载力影响系数：
==1.3053×1.5=1.9956
说明在裸露的情况下，火灾对其钢管的影响大的，次结果可以等效为火灾燃烧过久，导致整个结构受热，端部部分钢管受热，有可能导致整个结构端部钢管屈服极限下降，下面来计算防火保护层厚度，燃烧时间以t=2小时计算：
a =（19.2t+9.6）
=（19.2×2+9.6）×=
8.其他
外部构造钢筋在替换钢管处采用圆角，减少了原结构采用直角构造带来局部应力集中现象，降低了在过高的荷载作用下，局部混凝土在高应力的作用下发生碎裂的的可能性，从根本上来说，降低了构件内部出现裂缝的状况。
9.对本次设想的建议
只考虑了其结构上部受压区域的提高，而与此相应的是要对本结构下部受拉区域重新计算预应力钢筋，使之提高到与上部想对于的承载力。
同时，上部受压区的小型钢管混凝土面积还可以对其做相应的增大，以求更佳的利用材料。
最后，如果实践中此结构使用效果和施工效果良好，可以考虑计算其他标准跨径的桥板，优化整个桥梁板块的结构。
参考文献
1.先张法预应力混凝土简支空心板设计.交通部标准
2.赵国藩.高等钢筋混凝土结构学.机械工业出版社 2005.8
3.钟善桐.钢管混凝土结构.清华大学出版社 2003.8
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5.徐芝纶.弹性力学.高等教育出版社 2006.7
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7.范立础.桥梁抗震.同济大学出版社 1997.11
8.回国臣，吴献.钢-混凝土组合结构抗剪承载力计算，有色矿冶，2001，Vo117（4）：36~3.
论文作者:廖俊晟
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第34期
论文发表时间:2019/4/4
标签：混凝土论文; 钢管论文; 承载力论文; 结构论文; 应力论文; 截面论文; 荷载论文; 《建筑学研究前沿》2018年第34期论文;