施工工序
鋼管混凝土拱橋的施工工序主要包括澆築鋼筋混凝土V形支墩與箱梁、空鋼管拱肋合龍、系桿安裝與張拉、拱肋混凝土灌注、吊桿安裝與張拉、吊裝橋面系橫樑與縱梁、鋪設橋面預製空心板、澆築橋面混凝土、安裝防撞牆、鋪裝橋面系瀝青混凝土等。多跨連續鋼管混凝土拱橋的施工一般採取由邊跨向中間跨依次流水施工的施工順序,待一道施工工序全橋完成以後,再進行下一道施工工序的施工。這樣的施工方案的優點在於:最大限度的實現了各跨間的均勻載入,從而有效的保證了拱肋線型,使得V形支墩及拱肋內的應力較為均勻。
特點
鋼管混凝土拱橋的拱肋是以受壓為主的構件,且一般具有跨徑大及寬跨比比較小的特點,因此其穩定性一直以來都是橋樑工程師所關注的問題。在大跨橋樑中,由於跨度一般比較大,所以都必須採用高強度材料,而且由於跨度的增加、承載力大,就要求提高其抗震能力,從而要求結構具有較好的延性和恢復能力。鋼管混凝土組合材料用於拱橋中就能很好的滿足以上問題。由於鋼管混凝土具有很高的承載能力,它可以減少橋樑的自重,可以很大程度上改善大跨度拱橋的抗風能力和抗震能力,在風荷載作用的橫向穩定性中,使用鋼管混凝土拱橋,則可以根據需要把拱肋做成合理型式的曲桁架結構,還可以獲得拱肋所必須的結構剛度,在保證構件整體穩定性的基礎上,使拱肋結構避風面積小,所受風荷載減少,以到達改善橋樑橫向穩定性能。
性能
鋼管混凝土在受壓時能夠產生緊箍力,這是鋼管混凝土具有特殊性能的基本原因。混凝土在高應力時,其泊松比的變化超過鋼材,使得它的徑向變形大於鋼材的徑向變形,從而在二者之間產生了漸增的相互作用力一緊箍力,而使混凝土呈現三向應力狀態,使其承載能力大大提高。同時,鋼管的套箍作用大大地提高了混凝土的塑性性能,使得高強混凝土的脆性弱點得以克服,同時由於管內混凝土的存在,也提高了薄壁鋼管的局部穩定性,使其強度可以充分發揮。
優點和缺點
一、鋼管混凝土的優點:
具有優越的力學性能: 其一,由於鋼管的緊箍作用使混凝士處於三軸向受壓應力狀態,間接提高了混凝土的極限抗壓強度。其二,由於混凝土的填充作用,提高了鋼管抵抗局部屈曲的能力。鋼管混凝土構件充分發揮混凝土和鋼材的材料性能,提高了構件的承載能力,同時又具有較好的塑性和韌性,為高強混凝土和高強鋼材的套用提供了廣闊的途徑。鋼管混凝土結構防火性比RC結構差,比全鋼結構強,防火塗料可省一半以上。
二、鋼管混凝土的不足之處:
暴露在大氣當中與空氣和水分相接觸,或與有害氣體發生反應,造成鋼的腐蝕。按其反應機理可分為化學腐蝕和電化學腐蝕:化學腐蝕過程不伴隨電流的流動,鋼材在高溫工作條件下受到氧氣,二氧化碳,硫化氫和鹵素等氣體的腐蝕,就屬於化學腐蝕。鋼材在腐蝕過程中伴隨有電流流動的叫電化學腐蝕,鋼材在潮濕空氣中或在電解質溶液中的腐蝕,就屬於電化學腐蝕。鋼材按自然環境引起的腐蝕又可分為大氣腐蝕,土壤腐蝕,海水腐蝕,淡水腐蝕和生物腐蝕等。鋼管混凝土拱橋所處的自然環境引起的腐蝕主要為電化學腐蝕和大氣腐蝕。
疲勞分析
管節應力集中的影響因素:
(1)截面突變:這是產生幾何應力的因素,應力集中一般都發生在截面突變的地方,對鋼管混凝土拱橋來說,絕大多數管節點均是通過支管與主管焊接相連形成相貫節點,因此,在相貫線處產生應力集中現象。
(2)焊縫形狀的影響:焊接缺陷主要是指焊縫中的裂紋、未焊透、咬邊、氣孔、夾渣等。由於這些缺陷的存在,使得焊縫局部產生應力集中。
(3)局部剛度的影響:
①荷載傳遞的因素在腹管受軸向拉力作用時,由於它的軸向剛度相比弦管徑向剛度來說較大,所以可近似地認為沿腹管與弦管交接線上弦管位移相等。又由於弦管頂部垂直方向的剛度最小,所以在冠點處弦管對腹管的反作用也小,相貫線越向下,弦管的垂直方向剛度越大,在最深的鞍點處剛度最大,所以在鞍點弦管對腹管的反作用力也最大。因此,腹管傳給給弦管的垂直載荷沿交接線的分布是不均勻的。根據應力按剛度分配的原則,弦管沿腹管方向剛度,冠點處剛度最小,分配的荷載最小,鞍點處剛度最大,分配的荷載也最大。
②弦管的橫斷面變形當腹管承受軸向拉力時,弦管受沿腹管方向的作用力而發生變形,由腹弦管之間的約束作用,會沿交接線處產生附加應力,對弦管,鞍點處產生正的附加應力,冠點處產生負的附加應力,這將使鞍點所受的拉應力加大,冠點的拉應力減小,甚至由原來的受拉變為受壓。
③腹管的橫斷面變形當腹管受軸向力作用時,腹管直徑將有縮小的趨勢,但由於弦管的約束,腹管將產生彎曲應力,使腹管管壁外表面拉應力加大,腹管這一局部彎曲作用同時也影響到了弦管的應力分布。
④弦管管壁變形:由於弦桿管壁具有柔性,在腹管作用下,弦桿管壁沿相貫線將有局部彎曲的趨勢,由此產生的彎曲應力也很大。
裂紋
裂紋規律性:
(1)開裂的位置均在冠點焊趾附近,裂紋源分別有單源和多源兩類,但最終均匯合形成主裂紋,裂紋深度~般在穿透主管壁後,裂紋便開始加速擴展。
(2)裂紋有沿相貫線向上和向下兩個方向擴展的趨勢,擴展的過程中,分兩個階段,第一個階段,裂縫主要向冠點方唰擴展,其擴展速度要遠大於向鞍點擴展的速度;第二個階段,當裂紋向上完全延伸至冠點後,整條裂紋便加速向下擴展。
(3) 疲勞裂紋的擴展速率是一個由慢至快的過程,裂紋穿透壁厚前,速率較慢,穿透壁厚後,速率明顯增加,且隨裂紋長度的增加,速率也越來越快.
(4) 裂紋穿透主管壁厚後還有較長的裂後壽命,這是混凝土保證了管節點剛度的作用,因而以穿透壁厚時的壽命作為疲勞壽命判據是安全的.
影響焊接管節點疲勞性能的因素
(1)殘餘應力的影響:外部荷載作用於結構產生疲勞損傷時,主要是應力脈的影響,而與荷載產生的最大應力關係不大,而焊接結構一般都有殘餘應力存在,殘餘應力在焊接結構中是必然存在的,焊接工藝的改善只能儘可能的減小殘餘應力,但無法消除它。
(2)節點形式:不同的管節點形式也會對疲勞強度產生影響。研究和試驗證明,相同材料和相同焊接工藝的管節點中,T型管節點的疲勞強度最低,這是因為T型管節點的幾何應力集中係數最大,在相同名義應力的情況下,其熱點區域的應力集中要高於其他類型如Y型和K型等管節點,因此疲勞強度也會低於其他幾種節點。
(3)結構參數:結構參數的影響可從應力集中係數方程中得到,即使是相同的Y型節點,但若節點參數不同,如主管徑厚比,支、主管直徑比等不同,則所得應力集中係數便不同,節點的疲勞強度自然不同。其中和對疲勞性能影響較大。
(4)焊接缺陷:焊接缺陷是對管節點疲勞強度影響較大的因素,但是可以通過對焊接工藝進行改善和對焊縫進行焊後修磨來進行調整的。焊接缺陷有很多,常見的主要有裂紋、未熔合、未熔透、氣孔、夾渣、咬邊和飛濺等,在疲勞荷載作用下焊接缺陷會引起較大的應力集中從而導致疲勞裂紋的產生,甚至很多疲勞裂紋就是從最初的焊接缺陷裂紋逐漸擴展形成的。
焊接工藝研究
正確的焊接工藝和焊後處理可以減少應力集中程度,改變殘餘應力分布甚至產生有利的殘餘應力。因此,擬通過試驗研究和理論計算分析,確定合理的焊接工藝和焊縫形式,提出可提高疲勞強度的焊後處理方式。主要包含如下幾點:①管結構用材的韌性指標;② 焊接接頭的強韌比;③焊縫金屬和母材金屬的強韌性匹配;④焊縫形式的確定;⑤殘餘應力測試;⑥提高疲勞強度的有效工藝措施,如TIG熔修、砂輪打磨和錘擊法等。