科技和产业

编号	结构	型号	弹性模量/(kN·mm^-2)
1	系梁混凝土	C55	3.60×10¹
2	拱肋混凝土	C50	3.55×10¹
3	预应力钢绞线	1860钢管绞线	1.95×10²
4	吊杆	1670钢丝	2.05×10²
5	拱肋钢管	Q335	2.06×10²
6	横撑、缀板	Q235	2.06×10²

编号	结构	型号	弹性模量/(kN·mm^-2)
1	系梁混凝土	C55	3.60×10¹
2	拱肋混凝土	C50	3.55×10¹
3	预应力钢绞线	1860钢管绞线	1.95×10²
4	吊杆	1670钢丝	2.05×10²
5	拱肋钢管	Q335	2.06×10²
6	横撑、缀板	Q235	2.06×10²

截面位置	项目	实测值	计算值
L/2	钢管上缘应力/MPa	87.48	83.97	81.03
钢管下缘应力/MPa	40.19	38.64	37.05
上弦杆混凝土应力/MPa	5.72	5.81	6.19
下弦杆混凝土应力/MPa	2.65	2.72	2.88
拱肋位移/mm	66.21	63.78	61.30
L/4	拱肋位移/mm	42.05	40.38	39.13

截面位置	项目	实测值	计算值
L/2	钢管上缘应力/MPa	87.48	83.97	81.03
钢管下缘应力/MPa	40.19	38.64	37.05
上弦杆混凝土应力/MPa	5.72	5.81	6.19
下弦杆混凝土应力/MPa	2.65	2.72	2.88
拱肋位移/mm	66.21	63.78	61.30
L/4	拱肋位移/mm	42.05	40.38	39.13

考虑温度作用的钢管混凝土系杆拱桥徐变效应

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祁强

科技和产业 | 科技创新 2025,25(7): 58-62

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科技和产业 | 科技创新 2025, 25(7): 58-62

考虑温度作用的钢管混凝土系杆拱桥徐变效应

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祁强

作者信息

平凉职业技术学院建筑工程系, 甘肃平凉 744000

祁强(1993—),男,甘肃平凉人,硕士,讲师,研究方向为干寒地区材料与结构耐久性、系杆拱桥力学性能。

Creep Effect of Concrete-filled Steel Tube Tied Arch Bridge Considering Temperature Action

Qiang QI

Affiliations

Department of Architectural Engineering, Pingliang Vocational and Technical College, Pingliang 744000, Gansu, China

出版时间: 2025-04-10

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摘要

收起

为研究考虑温度作用的钢管混凝土系杆拱桥徐变效应,以1-128 m钢管混凝土拱桥为实例,建立有限元三维计算模型,按照张戎令提出的含钢率、核心混凝土强度、温度三者共同作用下钢管混凝土的徐变模型开展徐变对钢管混凝土系杆拱桥长期变形和内力的影响分析。研究结果表明:拱肋徐变会导致钢管混凝土系杆拱桥的拱肋和系梁产生下挠变形,拱肋发生应力重分布,致使拱肋钢管应力不断增大,核心混凝土应力不断减小;考虑温度作用下拱肋徐变引起的拱肋、系梁下挠和拱肋应力重分布大于不考虑温度作用下拱肋徐变影响值。因此,在桥梁设计、施工监控以及后期使用阶段应考虑温度对徐变的影响,以便能合理预测运营阶段长期徐变变形和应力重分布。

关键词

钢管混凝土 / 徐变 / 温度 / 含钢率

Abstract

收起

In order to study the creep effect of concrete-filled steel tube tied arch bridge, taking 1-128 m concrete-filled steel tube arch bridge as an example, a three-dimensional finite element calculation model was established. According to the creep model of concrete-filled steel tube under the action of steel content, core concrete strength and temperature proposed by Jung Ling Chang, the influence of creep on the long-term deformation and internal force of concrete-filled steel tube tied arch bridge was analyzed. The results show that the arch rib creep will cause the arch rib and tie beam of the concrete-filled steel tube tie arch bridge to produce flexural deformation, and the arch rib stress will redistribute, resulting in the arch rib stress increasing and the core concrete stress decreasing. The stress redistribution of arch rib, girder and arch rib caused by the creep of arch rib under the consideration of temperature is greater than that without the consideration of temperature. The influence of temperature on creep should be considered in bridge design, construction monitoring and later use stage, so as to reasonably predict long-term creep deformation and stress redistribution during operation stage.

Key words

concrete-filled steel tube / creep / temperature / steel content

引用本文

祁强. 考虑温度作用的钢管混凝土系杆拱桥徐变效应. 科技和产业, 2025 , 25 (7) : 58 -62 .

Qiang QI. Creep Effect of Concrete-filled Steel Tube Tied Arch Bridge Considering Temperature Action[J]. Science Technology and Industry, 2025 , 25 (7) : 58 -62 .

正文

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在外部力的作用下,钢管混凝土通过钢管对核心混凝土的约束(套箍)效应,使核心混凝土呈现三向受压状态,显著增强了其抗压强度及变形能力。同时,当混凝土填充于钢管内部后,因混凝土与钢管之间的紧密贴合,有效提升了钢管的抗屈曲性能^[1]。这种钢管与混凝土的优化组合,不仅相互弥补了各自的不足,而且充分发挥了二者的强度承载能力。目前,该组合结构已被广泛应用于大跨度房屋结构、桥梁及地铁工程中。

钢管混凝土徐变现象是钢管混凝土结构设计过程中必须予以高度重视的核心议题之一。在持续荷载作用下,核心混凝土因徐变效应而发生变形,这一变形进而引发钢管混凝土结构内部的应力重新分布。随着这一过程的发展,核心混凝土将经历持续的卸载过程,而钢管的应力则逐渐增加。这种应力转移可能导致钢管提前进入屈服阶段,从而缩短钢管混凝土结构的预期使用寿命。

祁强和张思远^[2]通过大气温度试验箱模拟了西北大温差环境,研究了钢管混凝土构件温度场分布,得出温度对钢管与核心混凝土构件黏结力的影响规律;徐杰和杨正华^[3]利用有限元模型研究了不考虑温度下大跨度钢管混凝土拱桥徐变规律分析;刘栋^[4]利用有限元模型研究了考虑施工步骤对钢管混凝土徐变的影响;安海平^[5]对比分析了不考虑温度作用下的4种徐变预测模型对钢管混凝土拱桥线型和力学性能的研究;罗靓等^[6]通过有限元模拟分析了方钢管混凝土短柱的力学性能;张戎令等^[7]、祁强和张思远^[8]研究了不同膨胀剂掺量、应力比以及不同含钢率的钢管混凝土试件进行了长期轴压荷载作用下的钢管混凝土徐变试验,并对《公路钢管混凝土拱桥设计规范》(JTG/T D65-06—2015)^[9]给的徐变模型按照B3模型^[10]进行了修正,得到了考虑含钢率、核心混凝土强度、温度的钢管混凝土构件徐变模型。

纵观上述,虽然钢管混凝土构件在徐变方面取得了较大的进展,且学者提出了考虑温度的钢管混凝土构件徐变模型,但在实际桥梁中的应用却很少。为此,本文以某高速铁路大跨简支钢管混凝土系杆拱桥为例,使用学者提出的考虑温度钢管混凝土徐变模型,利用有限元软件开展数值仿真分析,进行徐变对钢管混凝土系杆拱桥的变形和内力的影响分析,给出考虑温度状况下徐变效应对系杆拱桥的挠度和内力的影响规律,以期为此类桥梁工程提供实践参考。

1 工程实例

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以一座1-128 m钢管混凝土系杆拱桥为例(图1)。该桥位于乌鲁木齐燕儿窝地区,该桥的上部是一孔的简支系杆拱桥,桥长是128 m铁路客运双线铁路桥(图2),最高设计车速为350 km/h,拱肋间距为13.8 m,拱轴线采用二次抛物线:Y=0.8X-0.006 25X²,矢跨比f/L=1/5。拱肋分两步完成:架设空钢管拱肋、顶升C50混凝土。该桥所处环境月平均温度如图3所示。

2 有限元模型及徐变模型选取

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2.1 有限元模型建立

采用Midas/Civil桥梁结构有限元软件仿真模拟施工过程,用梁单元模拟拱肋和系梁,用桁架单元模拟吊杆单元,拱肋单元用施工联合见面模拟施工过程。为满足模型的精度,整个模型共建481个梁单元,68个桁架单元。按15 d、1个月、2个月、4个月、7个月、1年、2年、4年、7年、10年模拟成桥后桥梁徐变变形。采用Midas/civil有限元软件建立的有限元模型如图4所示。建模用材料见表1。

2.2 徐变模型选取

在考虑温度时,拱肋采用张戎令等^[11]提出的考虑温度钢管混凝土构件徐变模型,见式(1),系梁徐变选用的徐变模型为《公路桥涵钢筋及预应力混凝土设计规范》(JTG 3362—2014)徐变模型^[12]。该桥于3月底完成了拱肋浇筑,因此拱肋徐变温度从4月份开始计算,以后温度按照时间顺序依次类推。

(1)

$\varphi (t,\tau,T)={R}_{T}{\varphi }_{0}({t}_{T},{\tau }_{T},T)=\frac{\varphi \text{'}({t}_{T},{\tau }_{T})}{1+\frac{{E}_{s}}{{E}_{c}}\left[1\right.+\rho \varphi \text{'}({t}_{T},{\tau }_{T})]{\alpha }_{s}}$

式中:$\varphi (t,\tau,T)$为α_s、f_cm、T共同作用下的钢管混凝土徐变系数;${t}_{T}、{\tau }_{T}$分别为考虑温度的混凝土等效计算龄期、考虑温度的混凝土等效加载龄期。

(2)

$\varphi \text{'}({t}_{T},{\tau }_{T})=[1+\frac{1-R/{R}_{0}}{0.46(h/{h}_{0}{)}^{1/3}}]\frac{5.3}{({f}_{cm}/{f}_{cm0}{)}^{0.5}}\times \frac{1}{0.1+({\tau }_{T}/{\tau }_{0,T}{)}^{0.2}}\times {\left(\frac{({t}_{T}-{\tau }_{T})/{\tau }_{0,T}}{\left\{150\left[1+{\left(1.2\frac{RH}{R{H}_{0}}\right)}^{18}\right]\frac{h}{{h}_{0}}+250\right\}+({t}_{T}-{\tau }_{T})/{\tau }_{0,T}}\right)}^{0.3}$

式中:R为环境年平均相对湿度,R₀取值为100%;h为构件的理论厚度,mm,h₀取值为 100 mm ;f_cm为混凝土28 d抗压强度标准值,f_cm0取值为10 MPa;ρ为参数,$\rho=\frac{1}{1-\mathrm{e}^{-\phi^{\prime}\left(t_{T}, \tau_{T}\right)}}-\frac{1}{\varphi^{\prime}\left(t_{T}, \tau_{T}\right)}$;$\tau_{0, T}$为参数，$\tau_{0, T}=\int_{0}^{\tau_{0}} \beta_{T}(\tau) \mathrm{d} \tau, \tau_{0}$取值为1d;h为构件理论厚度; E_s、E_c分别为钢管和混凝土的弹性模量;α_s为截面含钢率。

2.3 有限元模型验证

为了验证计算模型、模型参数选取及考虑温度效应的钢管混凝土徐变模型的合理性,将徐变作用下各截面位置的拱肋应力和拱肋位移计算值与桥梁监控实测数据进行对比分析。表2为成桥4个月时计算值与实测值对比。

经过对表2数据的分析对比,关于该桥在建成后的4个月内的拱顶截面数据呈现以下趋势:拱顶截面的挠度实测值为66.21 mm,考虑温度变化的计算挠度为63.78 mm,差异为3.7%,而不考虑温度变化的计算挠度为61.3 mm,差异为7.4%。在应力方面,拱顶截面钢管上缘的实测应力为87.48 MPa,考虑温度变化的计算应力为83.97 MPa,差异为4.0%,而不考虑温度变化的计算应力为81.03 MPa,差异为7.4%。同样地,钢管下缘的实测应力为40.19 MPa,考虑温度变化的计算应力为38.64 MPa,差异为3.9%,而不考虑温度变化的计算应力为37.05 MPa,差异为7.8%。对于上弦杆混凝土,实测应力为5.72 MPa,考虑温度变化的计算应力为5.81 MPa,差异为1.6%,而未考虑温度变化的计算应力为6.19 MPa,差异为8.2%。下弦杆混凝土的实测应力为2.65 MPa,考虑温度变化的计算应力为2.72 MPa,差异为2.6%,而未考虑温度变化的计算应力为2.88 MPa,差异为8.7%。此外,对于L/4拱跨截面,其实测挠度为42.05 mm,考虑温度变化的计算挠度为40.38 mm,差异为4.0%,而不考虑温度变化的计算挠度为39.13 mm,差异为6.9%。考虑温度后徐变引起的应力和变形计算值与实测实误差在4%以内,不考虑温度因素徐变引起的应力和变形计算值与实测实误差最小值为6.9%。因此,本文的有限元模型和考虑温度的徐变模型设置合理。

3 钢管混凝土系杆拱桥性能分析

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3.1 对拱肋线形的影响

图5与图6分别呈现了拱顶截面及L/4截面处的徐变位移曲线。经由对图5的深入分析,可明确得出以下结论:在考虑温度作用与不考虑温度作用两种情况下,拱顶徐变挠度均随时间推移而逐渐增大,且两者均呈现早期徐变变形显著、后期趋于平缓的趋势。具体而言,在考虑温度作用时,钢管混凝土系杆拱桥在成桥后的第1年、第2年、第4年、第7年和第10年,其拱顶挠度分别为-85.468、-87.002、-88.706、-89.737、-90.157 mm;而在不考虑温度作用时,相应时间点的挠度分别为-83.366、-85.126、-86.992、-87.991、-88.297 mm。两者之间的差值分别为2.5%、2.2%、2.0%、2.0%和2.1%。

同样,由图6可知,L/4拱肋截面的徐变挠度与拱顶徐变挠度呈现相似的变化趋势。在考虑温度作用时,钢管混凝土系杆拱桥在成桥后的第1年、第2年、第4年、第7年和第10年,其L/4拱肋截面的挠度分别为-41.346、-42.073、-42.842、-43.238、-43.352 mm;而在不考虑温度作用时,相应时间点的挠度分别为-40.159、-40.959、-41.791、-42.208、-42.318 mm。两者之间的差值分别为3.0%、2.4%、2.5%、2.4%和2.4%。

3.2 对系梁线形的影响

图7和图8分别为系梁跨中截面和L/4截面挠度位移曲线。分析可得,考虑温度作用和不考虑温度作用下,系梁截面挠度都随时间推移而增大,而且两者都是早期徐变变形明显,后期趋于平缓,与拱肋挠度变形有相同的规律。由图7可看出,考虑温度作用下从成桥阶段到成桥10年,跨中截面系梁挠度增加了13.5%;不考虑温度作用下从成桥阶段到成桥10年,跨中截面系梁挠度增加了13.7%。成桥10年后,考虑温度与不考虑温度下跨中截面系梁挠度分别为90.135、88.297 mm,两者相差2.1%。由图8可看出,考虑温度作用下从成桥阶段到成桥10年,L/4截面系梁挠度增加12.2%;不考虑温度作用下从成桥阶段到成桥10年,跨中截面系梁挠度增加了11.9%。成桥10年后,考虑温度与不考虑温度下跨中截面系梁挠度分别为-45.646、-44.648 mm,两者相差2.2%。

从上述分析可看出,考虑温度和不考虑温度作用下徐变挠度计算结果有明显的差异,从成桥到成桥10年拱肋徐变对拱肋的位移和系梁的位移差距都在2%以上,因此温度对徐变的影响不应忽视,在设计和施工阶段都应考虑温度对徐变的影响。

3.3 拱肋截面应力重分布

图9~图12表明,在成桥后的不同时间段内,考虑温度作用与不考虑温度作用下的应力存在显著差异。具体而言,成桥1年后至10年期间,两者之间的应力差异百分比分别为6.1%、5.9%、5.7%、-5.6%和5.7%。同样地,在成桥后相同的时间段内,拱脚截面下弦杆混凝土下缘的应力差异百分比分别为5.8%、5.7%、-5.6%、-5.6%和-5.6%。

在不考虑温度作用的情况下,拱脚截面钢管上缘的应力从初始的42.559 MPa逐渐增加,至10年后达到48.575 MPa,增幅为14.1%。钢管下缘的应力也从初始的95.73 MPa逐步增加,至10年后为112.809 MPa,增幅达到17.8%。而上弦杆混凝土上缘的应力则呈现下降趋势,从初始的4.525 MPa减小至10年后的3.501 MPa,减小幅度为22.6%。下弦杆混凝土下缘的应力也呈现类似的下降趋势,从初始的95.73 MPa减小至10年后的6.008 MPa,减小幅度为15.8%。

在考虑温度作用的情况下,拱脚截面钢管上缘的应力从初始的43.931 MPa增加至10年后的50.111 MPa,增幅为14.1%。钢管下缘的应力则从初始的98.146 MPa增加至10年后的115.753 MPa,增幅达到17.9%。而上弦杆混凝土上缘的应力从初始的4.314 MPa减小至10年后的3.303 MPa,减小幅度为23.4%。下弦杆混凝土下缘的应力从初始的6.869 MPa减小至10年后的5.672 MPa,减小幅度为17.4%。

以上数据表明,温度作用对桥梁拱脚截面的应力变化具有显著影响,且在不同时间段内,应力的增加或减少幅度呈现一定的规律性。这为桥梁的长期监测和维护提供了重要的参考依据。

4 结论

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随时间推移,拱肋徐变会导致钢管混凝土系杆拱桥的拱肋和系梁产生下挠变形,拱肋发生应力重分布,致使拱肋钢管应力不断增大,核心混凝土应力不断减小。考虑温度作用下拱肋徐变引起的拱肋、系梁下挠和拱肋应力重分布大于不考虑温度作用下拱肋徐变影响值。在桥梁设计、施工监控以及后期使用阶段应考虑温度对徐变的影响,以便能合理预测运营阶段长期徐变变形和应力重分布。

参考文献

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文献

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参考文献引证文献

排序方式：

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2025年第25卷第7期

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接收时间：2024-08-24
首发时间：2025-07-21
出版时间：2025-04-10

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收稿日期：2024-08-24

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平凉职业技术学院建筑工程系, 甘肃平凉 744000

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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