1、復合鋼管砼計算方法在橋梁中的應用伍尚干陳春林伍佳玉吳清明1、前言我國鋼管砼的研究和應用都已取得了很大的成果，鋼管和砼的相 互組合應用，可以克服砼的脆性和鋼管的穩定問題，能夠充分發揮兩 種材料特點，園形鋼管的緊箍力還能提高砼的承載力， 是一種很合理 的材料使用方法。鋼管砼在施工過程中，能起到骨架、配筋和模板的 作用，使結構逐漸加強和形成，解決了大跨徑拱橋的施工困難，使拱 橋施工變得簡便安全，所以在拱橋中獲得較快的發展。但是鋼管砼的 應用也不夠完善，計算中還存在一些問題，在使用中最突出的是鋼管 的銹蝕，防護很麻煩，大直徑鋼管的用鋼量偏大，加工費較高，桁架 結點的焊接處理困難，造價偏高，影響了鋼管砼

2、的競爭與發展。2、復合鋼管砼復合的定義是指兩種或多種材料，按一定的規則組合成整體。采 用型鋼作勁性骨架，然后外包鋼筋砼，稱作鋼骨砼。采用鋼管砼作勁 性骨架，然后外包鋼筋砼，同理可稱作鋼管砼骨架砼，將鋼筋砼與鋼 管砼的結合稱作復合（即組合或結合）鋼管砼，名稱簡明直觀。這里所 指的復合鋼管砼，是指主要以鋼管砼骨架受壓為主，承載力佔 50%70%左右的強勁性骨架，即所謂的剛性骨架。它能充分發揮鋼 管砼的優點，克服了它存在的缺點。外包的鋼筋砼加大了截面剛度， 按構造和內力需要配筋，起到參與受力和防護的雙重作用。使鋼管的 加工方便，聯結的加勁處理靈活方便，再立模板澆筑外包砼也簡便，只相當于加固和裝修工程

3、現在鋼管砼拱橋的銹蝕防護，多以油漆為主，也有噴鋅、鋁和高 分子涂料的。前者能保持35年時間，因受陽光照曬的影響，褪色很 快，影響美觀。后者能用25年時間，其價格很高。仍是砼的耐久性 好，施工靈活方便，造價較合理。外包的鋼筋砼對鋼管砼勁性骨架可 起到一定的隔熱作用，鋼比相同條件的砼溫度要高150C以上，使勁性骨架受溫度的影響減弱，對勁性骨架的工作有利。鋼管砼拱橋受強 度和穩定的需要，多采用大直徑的鋼管，用鋼量偏大，造價也高。國 內第一座鋼管砼拱橋一四川旺蒼大橋， 采用就地加工和焊接制造，是 較經濟合理的。故采用較小管徑的復合鋼管砼，可簡化加工方法，再 外包鋼筋砼形成所需的截面，按受力和構造需要配

4、筋，使結點處理方 便，用鋼量較合理，是鋼管砼的合理應用形式。現在鋼管砼僅用在單 一的拱橋中，采用復合鋼管砼材料，可以在橋梁上得到廣泛的應用。3、復合鋼管砼的發展復合鋼管砼的結構形式，工程中已有應用先例，拱橋中有用鋼管 砼作骨架的鋼筋混凝土箱形拱，鋼管砼骨架起了重要的作用。但是， 因為鋼管砼骨架還比較弱，它的截面積與砼截面積相比較小， 在截面 的強度計算中，未考慮鋼管緊箍力所起的承載力作用， 只按鋼筋混凝 土截面作簡化計算。另外一個原因是未搞清楚鋼管砼在鋼筋混凝土截 面中的作用機理，還未建立起計算的方法，不便于計算。簡化計算并 非不可，但是探究清楚鋼管砼在鋼筋混凝土截面中的作用，也是完全需要的。

5、鋼管砼骨架弱時剛度較小，施工加載的過程也不夠安全。而強的勁性骨架剛度較大，施工安全性好，充分發揮鋼管砼的主要承力 作用，這就是復合鋼管砼所要提倡的。對于復合鋼管砼的截面，不計 鋼管砼的特殊作用，顯然是不合理的，這是復合鋼管砼需要解決的問 題。實際上鋼管砼與鋼筋砼結合的復合鋼管砼， 在橋梁和建筑中有成 功的應用，與加固工程所用的原理基本相同，效果良好。4、復合原理復合鋼管砼與鋼骨砼有相似的原理，鋼管的緊箍力比鋼骨砼的型 鋼更優越，它實質上是一種特殊形式的鋼骨砼。鋼管作為骨架使用， 它的特殊截面形式，對管內砼的環向緊箍力作用，能發揮材料的塑性 性能，提高鋼管砼的承載能力。鋼骨砼的特性已有成熟的研究

6、，其規 律可供復合鋼管砼借鑒。筆者在“鋼管砼短柱強度計算新探” 一文中， 已將鋼管砼的承載力，按材料強度實現了分離計算，將其應用在復合 鋼管砼中，也能實現復合鋼管砼的鋼管、內填砼、徑向荷載、外包鋼 筋砼的分離計算，實現鋼管砼和鋼筋砼組合材料的內力疊加計算。設計假定： 鋼管與外包砼之間結合良好，外包砼不能剝離，形成整體截面， 兩者能夠協同工作。 受拉和受壓鋼筋、鋼管采用理想彈塑性的平面應力一應變關系。 鋼管內填砼飽滿。 受拉區的砼不參加工作。 鋼管砼受彎矩作用時，對應縱向應變為鋼管及砼的受力狀態與鋼管砼的軸心受力時相同，縱向應變的鋼管及砼的受力狀態相同。 鋼管砼作為勁性骨架，應能承受主要的施工荷

7、載，先發生較大 的初始壓縮變形。為了保證截面的整體性，外包砼的標號應用得較高，以便具有較 強的粘結力。除受力鋼筋以外，要加強箍筋和在鋼管上焊接錨固鋼筋， 避免發生剝離破壞。外包砼的厚度不能太薄，砼太薄會影響粘結力的 發揮，也要影響砼的澆筑操作。5、內力疊加法實踐證明鋼骨和鋼管砼的外包砼能夠結合為整體， 構件截面的應 變復合平面的假定。采用加強箍筋、錨固鋼筋和較高標號的砼，就能 加強截面的整體作用。鋼管砼在鋼管的彈塑性變形階段， 有明顯的應 力調整現象。由于砼的收縮和徐變，復合鋼管砼截面的應力重分布是 非常明顯的。前期的施工加載在截面中有明顯的應力疊加現象，后期加載和使用期間，就呈現出內力疊加現

8、象。應力疊加是出現在彈性階 段，施工加栽階段可以用應力疊加作計算， 便于配合測試和用應力值 來控制結構的安全狀態。極限狀態法已考慮了材料的塑性作用， 故內 力疊加是出現在彈塑性階段，應該采用極限狀態法作計算。所以，鋼 骨砼就采用簡單內力疊加法來計算，復合鋼管砼也可以采用簡單內力 疊加法來計算。工程中的結構加固，達到使結構內力發生調整和加固 的目的，即是內力疊加原理的應用。由塑性理論下限定理可知，對于 滿足平衡條件的，由任意軸力分配所確定的各部分受彎承載力之和 中，真實的極限承載力為最大值。根據這一理論，采用疊加方法計算 的結果，總是偏于安全的。內力調整的中間過程是復雜的，只要注意 勁性骨架的強

9、度和穩定，能夠保證施工安全，可不考慮應力調整的中 間變化過程，只以最大的極限承載力作控制。內力疊加理論的計算公式：鋼管砼短柱承載力No二AsFs+Acfst/rc+AcFc二 Nst + Nsc+ Nnc基本形式：N Nst + Nsc+ Nnc+ Nwc （鋼管、鋼管緊箍力、鋼管內填 砼、外包鋼筋砼）M Mtc +Mwc（鋼管砼、鋼筋砼）按加載受力情況分為： 當N Nst為鋼管砼受拉 時 N= Nst鋼管承受拉力，M Mst鋼 管砼承受彎矩; 當 N Nst+ Nsc +Nnc為鋼管砼勁性骨架加載時 N= Nst+Nsc+Nnc , M Mst鋼管砼承受軸壓力和彎矩; 當N Nst + Ns

10、c+Nnc +Nwc為復合鋼管砼加載 時 N= Nst + Nsc +Nnc+ Nwc , M Mtc+Mwc鋼管砼和外包鋼筋砼承受軸壓力和彎矩； 當N Ntc +Nwc ,為復合鋼管砼加載受拉時，MvMwc時 N=Nst+Nwc鋼管和鋼筋承受拉力，M= Mwc鋼筋砼承受彎矩。 式中：N、M 為計算的受壓軸力和彎矩設計值；Nst為鋼管部分的 軸心受壓承栽力；Nnc為鋼管內填充砼部分的受壓承載力；Nsc為鋼管內填砼的緊箍力提高強度部分的軸心受壓承載力;Nst, Mst為鋼管砼（勁性骨架）部分的軸心受壓和受彎承載力； Nwc 為外包鋼筋砼大、小偏心受壓界限破壞時的軸心受壓承載力；Mwc 為鋼筋砼大

11、、小偏心受壓界限破壞時的受彎承栽力； Nst為鋼管 的軸心受拉承載力；Nwc為外包鋼筋砼的軸心受拉承載力。6、內力疊加的特點在以上計算中的參數，鋼管砼部分按鋼管砼的內力疊加法計算， 外包鋼筋砼部分按鋼筋砼的規程計算。在計算外包鋼筋砼部分的承載 力時，如果按內園外方的截面來計算，是很麻煩的，可以偏安全的將 內園外方的截面簡化為箱形截面，按工字形截面計算，見圖（一）。公式的計算結果是安全的。實際在施工過程中，首先是充分發揮 鋼管砼勁性骨架的作用，然后才是外包鋼筋砼發揮作用，并發生應力 調整。鋼管砼勁性骨架的截面較小，剛度較小，彎矩較小，要按鋼管 砼長柱計算，以驗算骨架階段的安全。鋼管砼骨架的彈性模

12、量較大， 承載能力強，承受主要荷載，先要發生較大的初始變形，以后才是和 外包鋼筋砼共同承力，能使二者的變形比較協調一致。為了發揮復合 材料的優點，鋼管砼與外包鋼筋砼的截面疊合比值不宜過小，一般應大于0.30o將一期軸力單獨施加到鋼管砼骨架上， 剩余軸力由鋼筋砼 來分擔，就降低了鋼筋砼部分的軸壓比。由鋼管砼承擔大部分軸力， 可以提高鋼管砼骨架的軸壓比，充分發揮鋼管砼勁性骨架的作用， 保 證鋼管砼骨架產生較大的初始壓應變。 若鋼管砼未加初始壓應變，而 與外包鋼筋砼同時加載，將導致外包鋼筋砼先局部剝離破壞， 也不符 合鋼管砼作勁性骨架施工的實際受力情況。 在壓彎構件中，復合鋼管砼的應力調整，是在外包

13、鋼筋砼以后，截面剛度加大，外包鋼筋砼參 加受力，鋼管砼軸力的增加會減小。鋼筋砼的軸力和彎矩達到最大以 后，軸力會開始減小，鋼管砼的軸力會增大。外包鋼筋砼的收縮和徐 變，是卸載的原因和應力調整的條件，也是不同材料相互之間的互補 性和軸向力的轉移傳遞，見圖（二）。當外包鋼筋砼發揮作用時，鋼管砼的軸力增加將變得緩慢，最終 才達到最大，故鋼管砼的承載力應當留有安全余地。 為了配合鋼管砼 和外包鋼筋砼的應力調整變化，外包鋼筋砼施工的時間，應按施工方 便和加載程序要求而定。內力調整是應力的變化過程，是普遍存在的 現象，是內力疊加公式建立的基礎。由于鋼管砼的初始壓應變較大， 在壓彎狀態中軸力重分配的幅度會更

14、大一些。 所以，復合鋼管砼是有 一定規則的，既要充分發揮勁性骨架的作用，又應保留較大的安全余 地，以保證施工安全。7、算例：（1）鋼管砼骨架：見圖（三）。按鋼管砼短柱強度計算新探方法計算。16Mn 鋼管？ 550x10 鋼管內半徑rc=265mm 鋼管壁厚 t=10mm鋼管面積As=169.6cm2鋼管設計強度fs=315mpa復合鋼管砼截面計算簡化圖（一）鋼管砼鋼筋砼C50砼 Ac=2206.2cm2軸向壓力 N1=28994KNC鋼管砼和鋼筋砼內力變化圖（二）砼設計強度fc=23.5mpa彎距 M1=870KN.me0=0.03m偏心 鋼管砼短柱承載力:No二AsFs+AcFc+Acfst

15、/rc=(169.6x315+2206.2x23.5+2206.2x315x10/265)x101 =13149KN計算長度 LO=0.5L=0.5X400=200cmLO /D=200/55=2.463 4縱向彎曲系數 1=1偏心距系數 eO/r =30/265=0.113 =N1=28994KN.M加載軸壓比 N1/ Ntc =28994/32623=0.89（2）外包鋼筋混凝土：見圖（四）。按公路鋼筋混凝土及預應力混凝土設計規范（JTJ 02385）鋼管砼計算截面圖（外包鋼筋砼計算截面圖（四）45.22計算軸向力 N2 =11259KN 彎距 M2=920 KN.mII級鋼筋 C50鋼筋

16、強度 Rg= Rg =340mpa砼強度 Ra=28.5mpa22 14Ag二Ag =33.9cm 2偏心距 eO=920/11259=8cme=54cme =38cmRabX(e-h+X/2)+Ra(bj-b)hj (e-ho+hj 丄 gAge+Rg Ag e(T g=600(0.9 ho/x-1) 28.5x220X(8-96+X/2)+28.5x(220-55)x22.5x(8-96+22.5/2)=600x(0.9x96/X-1)X33.9x54+340X33.9X38X30028X2 H2201.6X-30271=0X=52.7cmg=600x(0.9x96/552(T .7l)=

17、383mpa取(T g=310mpaNwc=(rb/rc)RabX+Ra(bj -b)hj +(rb/rs) (RgAg- gAg=(0.95/1.25)x28.5x55x52.7+28.5x(220- 55)x22.5x10- 1+(0.95/1.25)x(340x33.9340x33.9)x10 - 1 = 13832 KN N1 =11259KNMwc=( rb/ rc) RabX ( hO-X/2)+ Ra( bj- b) hj (ho- hj 7 2)+(r b/r s)(Rg Ag (ho- ag )=(0.95/1.25)x28.5x55x52.7x(96-52.7/2)+28.

18、5x(220-55)x22.5x(96-22.5/2)x10- 3+(0.95/1.25)x(340x33.9x(94)x10 - 3=11581KN.m M2 =920KN.(3) 內力疊加法：刀二N1+N2=28994+11259=40253KNNtc+Nwc=32623+13832=46455KN刀 M=M1+M2=870+920=1790KN.m Mwc= 11581KN.m本算例為較強的勁性鋼管砼骨架，計算鋼筋砼時配筋較弱，鋼筋砼 的強度將先達到最大，因為鋼管砼骨架的承載力還留有安全余地， 即 加強主要材料的原則。如果是較弱勁性鋼管砼骨架，鋼管砼骨架的承 載力將達到最大，而鋼筋砼應該

19、加強配筋，使鋼筋砼中留有較大的安 全余地，這也是加強主要材料的原則。所以，這是強、弱勁性鋼管砼 骨架在復合鋼管砼計算中的區別和特點， 本文也解決了弱勁性鋼管砼 骨架在復合鋼管砼中計算的方法問題。因此，勿論骨架的強、弱都是 可以算的，其原則是弱的材料度將達到最大，而強的材料強度中須留 有足夠的安全余地，才能保證復合鋼管砼結構的安全。8結論（1）復合鋼管砼也同鋼骨砼的原理相類似， 由于鋼管緊箍力的作用， 比鋼骨砼的工作效率更高，承載能力更大。（2）復合鋼管砼截面的強度計算方法，可采用簡單疊加法原理作內 力疊加計算，鋼管砼也是用內力疊加法計算，復合外包的鋼筋砼 采用鋼筋砼方法計算，鋼管、鋼筋、內填和外包砼材料取各自特 定的強度和安全系數，采用鋼管