黃廈，周水興，萬川龍，徐天倚

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶市 400074； 2.悉地(蘇州)勘察設(shè)計(jì)顧問有限公司)

處在自然環(huán)境中的鋼管混凝土拱橋，受到空氣中鹽分、腐蝕氣體影響，尤其是處在環(huán)境濕度高的鋼管混凝土拱橋，容易引起鋼管銹蝕。如果鋼管表面的防護(hù)涂層質(zhì)量差，或者使用不適宜的防護(hù)涂裝，會(huì)進(jìn)一步加速鋼管銹蝕。中國(guó)已經(jīng)有幾座大跨度鋼管混凝土拱橋出現(xiàn)了嚴(yán)重的鋼管銹蝕問題，不得已對(duì)全橋防護(hù)涂層進(jìn)行重做，付出了高昂代價(jià)。不僅如此，鋼管銹蝕使鋼管的有效承載截面減小，鋼管力學(xué)性能退化，鋼材屈服臺(tái)階縮短直至消失，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)無征兆的脆性破壞。

圍繞鋼材銹蝕對(duì)鋼管混凝土構(gòu)件力學(xué)性能和承載力的影響，陳夢(mèng)成分析了鋼管銹蝕度對(duì)套箍力、鋼管混凝土柱組合模量及軸向壓力的影響；花幼星等采用“生死單元”模擬外鋼管銹蝕，建立了長(zhǎng)期軸拉荷載-氯離子腐蝕下的圓鋼管混凝土柱的有限元模型，探討了組合截面材料內(nèi)力重分布的變化規(guī)律；Han等對(duì)方形截面、圓形截面的鋼管混凝土在軸壓、純彎長(zhǎng)期荷載和氯離子腐蝕共同作用下的力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究；Hou等建立了與之相對(duì)應(yīng)的有限元模型，通過參數(shù)分析，給出了考慮鋼管銹蝕的承載力簡(jiǎn)化計(jì)算方法。但上述研究都集中在鋼管混凝土構(gòu)件上，對(duì)大跨度鋼管混凝土拱橋鋼管銹蝕方面的研究不多。

該文針對(duì)貴州香火巖大橋，根據(jù)現(xiàn)行JTG/T D65-06-2015《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范》及GB 50923-2013《鋼管混凝土拱橋技術(shù)規(guī)范》對(duì)鋼管混凝土約束效應(yīng)系數(shù)、持久狀態(tài)下鋼管應(yīng)力限值要求，計(jì)算鋼管均勻銹蝕的最大容許厚度；其次，建立香火巖大橋Ansys全橋模型，采用“生死單元”技術(shù)模擬管內(nèi)混凝土灌注順序和拱上建筑施工過程，以計(jì)入鋼管初應(yīng)力歷史；采用鋼管壁厚折減法模擬鋼管銹蝕，該方法能夠模擬鋼管隨時(shí)間變化的連續(xù)銹蝕，并且可以應(yīng)用Ansys的生死單元來模擬鋼管銹蝕。在此基礎(chǔ)上分析鋼管在不同銹蝕厚度下香火巖大橋極限承載力的衰減規(guī)律。

1 香火巖大橋概況

香火巖特大橋是一座凈跨為300 m的上承式鋼管混凝土變截面桁架拱橋(圖1)，凈矢高為54.545 m，矢跨比為1/5.5，拱軸系數(shù)m=1.543。拱肋采用等寬變高的空間桁架結(jié)構(gòu)，斷面高度由拱頂?shù)? m漸變至拱腳的9 m(圖2)，肋間設(shè)置橫聯(lián)和米撐。上、下弦拱肋均采用外徑為φ1 200 mm鋼管，壁厚為26～35 mm，依不同部位選用不同厚度Q345鋼材。管內(nèi)灌注C55自密實(shí)微膨脹混凝土。拱上建筑采用20 m跨預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，橋面鋪裝為10 cmC50混凝土和10

圖1 香火巖大橋總體布置圖(單位：cm)

圖2 香火巖大橋拱肋斷面圖(單位：mm)

cm厚瀝青混凝土。

2 基于約束效應(yīng)系數(shù)的弦管最大銹蝕厚度

根據(jù)JTG/T D65-06-2015《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)約束效應(yīng)系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值ξ的定義：

(1)

式中：fy為鋼材的屈服強(qiáng)度；fck為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；As為鋼管截面面積；Ac為混凝土截面面積。

根據(jù)香火巖大橋拱肋弦管外徑、壁厚和管內(nèi)混凝土強(qiáng)度等級(jí)，按式(1)計(jì)算在不同均勻銹蝕厚度下的約束效應(yīng)系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值，結(jié)果如表1所示。

表1 銹蝕厚度與約束效應(yīng)系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)應(yīng)關(guān)系

從表1可以看出：當(dāng)銹蝕厚度達(dá)到9 mm時(shí)，鋼管混凝土約束效應(yīng)系數(shù)為0.59，已經(jīng)不滿足JTG/T D65-06-2015《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范》中約束效應(yīng)系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值不得小于0.6的規(guī)定。因此以約束效應(yīng)系數(shù)確定銹蝕厚度時(shí)，香火巖大橋最大銹蝕厚度為9 mm。

3 以持久狀態(tài)鋼管應(yīng)力限值確定銹蝕厚度

使用階段發(fā)生的鋼管銹蝕和管內(nèi)混凝土徐變收縮均會(huì)導(dǎo)致鋼管與管內(nèi)混凝土的應(yīng)力重分布。鋼管混凝土拱是在空鋼管拱基礎(chǔ)上逐根灌注管內(nèi)混凝土而形成的，在形成鋼管混凝土組合截面前，鋼管中會(huì)存在初始應(yīng)力。拱上建筑會(huì)進(jìn)一步增大鋼管應(yīng)力，因此，在以持久狀態(tài)鋼管應(yīng)力限值來確定鋼管最大銹蝕厚度時(shí)，上述應(yīng)力均需考慮。為此，該文采用“生死單元”方法模擬香火巖大橋的施工過程，計(jì)算施工階段和鋼管不同銹蝕厚度下拱肋鋼管的應(yīng)力。鋼管銹蝕厚度取0(未銹蝕狀態(tài))、3、6、9、12 mm共5種情況，鋼管編號(hào)規(guī)則為下游→上游，依次為1#～6#。提取不同銹蝕厚度下每根弦管的最大應(yīng)力，結(jié)果如表2所示，表中“-”號(hào)表示壓應(yīng)力。

表2 鋼管應(yīng)力

GB 50923-2013《鋼管混凝土拱橋技術(shù)規(guī)范》規(guī)定：持久狀況下拱肋鋼管應(yīng)力不宜大于0.8fy。文獻(xiàn)[6]認(rèn)為，鋼管銹蝕對(duì)鋼材屈服強(qiáng)度有一定折減，但對(duì)彈性模量的影響不明顯，因此考慮外鋼管銹蝕損傷后的屈服強(qiáng)度按式(2)計(jì)算：

(2)

式中：fy為鋼管屈服強(qiáng)度；fy′為銹蝕鋼管的屈服強(qiáng)度；ηs為平均截面銹蝕率。

香火巖大橋弦管采用Q345鋼材，屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fy為325 MPa，在持久狀況下鋼管應(yīng)力限值為0.8fy′。據(jù)此可得到持久狀態(tài)下弦管不同均勻銹蝕厚度對(duì)應(yīng)的應(yīng)力限值，結(jié)果如表3所示。

表3 銹蝕厚度與弦管應(yīng)力限值對(duì)應(yīng)關(guān)系

從表2可以看出：3#上弦管應(yīng)力最大。為此，將3#上弦管應(yīng)力與表3結(jié)果繪制成弦管應(yīng)力隨銹蝕厚度的變化曲線，在銹蝕厚度為10.6 mm時(shí)相交于一點(diǎn)，如圖3所示。由圖3可知：考慮持久狀態(tài)鋼管應(yīng)力限值要求，弦管銹蝕厚度不能大于10.6 mm。

圖3 3#上弦管應(yīng)力與應(yīng)力限值變化曲線

4 以拱橋極限承載力確定鋼管銹蝕厚度

4.1 基本假定

在開展香火巖大橋鋼管均勻銹蝕對(duì)其極限承載力影響分析時(shí)，引入以下基本假定：

(1) 鋼管和混凝土之間黏結(jié)良好，沒有滑移。

(2) 不考慮管內(nèi)混凝土局部脫空(黏)，視管內(nèi)混凝土完全填滿鋼管。

4.2 鋼管與混凝土本構(gòu)關(guān)系

鋼管采用理想彈塑性模型，認(rèn)為鋼管在進(jìn)入屈服強(qiáng)度后應(yīng)力不再增大，銹蝕鋼材的屈服強(qiáng)度(σ)采用式(3)計(jì)算：

(3)

式中：εy為銹蝕鋼管的屈服應(yīng)變；εu為銹蝕鋼管的極限應(yīng)變；fy′為銹蝕鋼管的屈服強(qiáng)度；Es為鋼管初始彈性模量。

管內(nèi)混凝土本構(gòu)關(guān)系采用韓林海提出的核心混凝土本構(gòu)模型：

σc=σu[A(ε/ε0)-B(ε/ε0)2] (ε≤ε0)

(4a)

σc=σu[(1-q)+q(ε/ε0)(0.1ξ)],ξ≥1.12 (ε>ε0)

(4b)

σc=σu(ε/ε0)/{β[(ε/ε0)-1]2+(ε/ε0)},ξ<1.12 (ε>ε0)

(4c)

4.3 極限承載力計(jì)算

鋼管初始應(yīng)力使鋼管混凝土屈服提前、極限承載力降低，管內(nèi)混凝土徐變又會(huì)引起應(yīng)力重分布，因此在計(jì)算極限承載力時(shí)必須同時(shí)考慮其影響。由于大跨度拱橋自重所占效應(yīng)較大，因此在計(jì)算香火巖大橋極限承載力時(shí)，以結(jié)構(gòu)自重×荷載系數(shù)作為承載力計(jì)算時(shí)的外荷載，弦管均勻銹蝕厚度仍按0(未銹蝕狀態(tài))、3、6、9和12 mm取值，相應(yīng)的極限承載力計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 不同銹蝕厚度極限承載力系數(shù)對(duì)比

表4表明：隨著鋼管銹蝕厚度不斷增大，極限承載力不斷降低。目前中國(guó)還沒有鋼管銹蝕對(duì)承載力限值的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，參照鋼管初應(yīng)力對(duì)鋼管混凝土拱橋承載力降低不大于10%為限值，則香火巖大橋的最大銹蝕厚度應(yīng)不超過6 mm。

5 結(jié)論

依據(jù)JTG/T D65-06-2015《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范》及GB 50923-2013《鋼管混凝土拱橋技術(shù)規(guī)范》，從約束效應(yīng)系數(shù)、持久狀態(tài)弦管應(yīng)力限值和銹蝕對(duì)鋼管混凝土拱橋極限承載力影響3個(gè)方面，開展了香火巖大橋弦管壁厚均勻銹蝕限值研究，得到以下結(jié)論：

(1) 綜合3個(gè)方面所得到的最大容許銹蝕厚度，以三者中的最小值作為香火巖大橋弦管均勻銹蝕最大厚度限值，應(yīng)在6 mm以內(nèi)。

(2) 由于鋼管銹蝕對(duì)鋼材屈服強(qiáng)度有一定影響，因此持久狀態(tài)弦管應(yīng)力限值應(yīng)按0.8fy′計(jì)算。

(3) 弦管銹蝕會(huì)導(dǎo)致弦管有效承載面積減小，截面含鋼率降低，并且隨弦管有效壁厚減小、應(yīng)力近似呈線性增大。

需要指出的是，文中均勻銹蝕厚度限值分析中未考慮拱肋腹桿銹蝕對(duì)承載力的影響，也未考慮弦管和腹桿同時(shí)銹蝕后主支管壁厚比的限值要求，需要在今后的研究中加以考慮。