刘家峡钢管混凝土桥塔推出试验研究的学习体会

文献概况与研究意义

本文发表于2017年《公路工程》第42卷第4期，由兰州交通大学刘学明和刘世忠两位作者完成，受国家自然科学基金项目（51368032）资助。刘家峡悬索大桥是目前国内最大的钢-混结构桥塔，其钢管混凝土桥塔的创新结构设计对钢管与混凝土之间的相互作用机理提出了新的研究需求。文献通过缩尺模型的推出试验，系统研究了钢管混凝土界面的粘结滑移性能，并结合ANSYS有限元仿真进行了对比验证。

钢管混凝土界面粘结滑移机理

推出试验方法

推出试验（Push-out Test）是研究钢管混凝土界面粘结滑移性能的经典试验方法。其基本原理是将钢管内填充混凝土，在钢管与混凝土之间施加剪力，通过测量剪力与滑移量的关系，得到粘结滑移曲线。

粘结滑移的三个阶段

钢管混凝土界面的粘结滑移行为通常可分为三个阶段：

1. 弹性阶段：钢管与混凝土之间无相对滑移，粘结应力随剪力线性增长。此阶段的粘结强度主要由混凝土的抗拉强度和钢管内壁的粗糙度决定。
2. 滑移阶段：粘结应力达到极限值后，界面开始出现相对滑移，粘结应力逐渐下降。此阶段是粘结破坏的关键阶段。
3. 残余阶段：滑移距离继续增大，粘结应力维持在较低的残余水平，依靠钢管与混凝土之间的摩擦力传递剪力。

焊钉对粘结滑移的影响

文献通过有限元仿真研究了焊钉（Shear Stud）对钢管混凝土界面粘结滑移的影响，这一研究具有重要的工程指导意义。

焊钉的作用机理

焊钉作为钢管混凝土结构中的剪力连接件，其主要作用是：

• 在初始粘结阶段：焊钉对钢管与混凝土之间的初始粘结状态影响甚微，因为此时界面尚未发生滑移，焊钉处于未受力状态。
• 在粘结破坏后：焊钉能够显著减小钢管与混凝土之间的滑动距离，通过机械咬合作用限制相对滑移，提高结构的整体性和延性。

焊钉设计参数

ANSYS有限元仿真验证

文献采用ANSYS建立非线性有限元模型，对推出试验结果进行仿真验证。有限元模型的关键建模要点包括：

1. 接触单元：采用非线性接触单元模拟钢管与混凝土之间的粘结滑移行为，接触刚度通过试验数据标定。
2. 材料本构：钢管采用弹塑性本构模型，混凝土采用考虑损伤演化的非线性本构模型。
3. 边界条件：模拟试验加载方式，约束与试验装置一致。
4. 网格划分：在界面区域进行网格加密，保证计算精度。

有限元仿真结果与试验结果的对比表明，采用合理的接触模型和非线性本构，有限元仿真能够有效模拟钢管混凝土结构的界面粘结滑移行为，为工程设计和施工提供了可靠的分析工具。

工程实践启示

刘家峡悬索大桥的钢管混凝土桥塔是钢-混组合结构在桥梁工程中的创新应用。从焊接与钢管制造的角度来看，以下问题值得关注：

• 钢管的制造精度：钢管的椭圆度、壁厚均匀性等制造精度指标影响钢管与混凝土的密实度，进而影响界面粘结性能。
• 焊钉焊接质量：焊钉的焊接强度直接影响其抗拔承载力，焊钉焊接接头需进行无损检测和力学性能试验。
• 钢管内表面处理：钢管内壁的粗糙度、涂装层等影响混凝土的浇筑质量和界面粘结强度。
• 混凝土浇筑工艺：钢管混凝土的浇筑密实度是保证界面粘结性能的关键，需采用合理的浇筑工艺和振捣措施。

学习心得与展望

本文的研究为钢管混凝土结构的界面粘结滑移机理提供了宝贵的试验数据和理论分析。我深刻体会到，钢管混凝土结构的安全性不仅取决于钢管和混凝土各自的力学性能，更取决于两者之间的相互作用效应。对于从事钢管制造和焊接的技术人员而言，理解钢管混凝土界面的粘结机理，有助于从钢管制造精度、内壁处理、焊钉焊接质量等方面提出更有针对性的质量控制要求。未来，随着钢管混凝土结构在桥梁、建筑等领域的应用不断拓展，界面粘结性能的深入研究将具有重要的理论和工程价值。