鋼管混凝土拱橋

1、鋼管混凝土拱橋淺析摘 要自1990年在四川旺蒼建成了跨度115m的國(guó)內(nèi)第一座鋼管混凝土拱橋以來(lái)，鋼管混凝土拱橋發(fā)展迅猛，短短20多年來(lái)全國(guó)已建成各類鋼管混凝土拱橋達(dá)300多座，而且特別需要指出的是鋼管混凝土拱橋經(jīng)歷了汶川大地震考驗(yàn)，表現(xiàn)出良好的抗震性能。本文就鋼管混凝土拱橋的發(fā)展、剛架系桿鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)進(jìn)行淺析。關(guān)鍵字 鋼管混凝土拱橋；抗震性能；發(fā)展；設(shè)計(jì)；淺析讀完陳寶春編著的鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)與施工發(fā)現(xiàn)就和書中緒論里所描述的一樣，這是一本關(guān)于鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)與施工的專著。課堂上張浩陽(yáng)老師曾多次提及也花了不少時(shí)間向我們介紹了這種新型組合材料，鋼管混凝土它作為 鋼混凝土 組合材料的一種，一

2、方面借助內(nèi)填混凝土提高鋼管壁受壓時(shí)的穩(wěn)定性，提高鋼管的抗腐蝕性和耐久性，另一方面借助管壁對(duì)混凝土的套箍作用，提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度和延性。將鋼材和混凝土有機(jī)地組合起來(lái)，在施工方面，鋼管混凝土可利用空心鋼管作為勁性骨架甚至模板，施工吊裝重量輕，進(jìn)度快，施工用鋼量省。由于在材料和施工方法上的優(yōu)越性，它不僅具有自重輕、強(qiáng)度大、抗變形能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，還較好的解決的了修建梁橋鎖需求的用料省、安裝重量輕、施工簡(jiǎn)便、承重能力大的諸多矛盾，是大跨度拱橋的一種比較合理的結(jié)構(gòu)形式。本文本文將根據(jù)鋼管混凝土拱橋在我國(guó)的應(yīng)用情況，對(duì)鋼管混凝土拱橋的發(fā)展和剛架系桿鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)進(jìn)行定向分析。1 鋼管混凝土拱

3、橋組合材料的發(fā)展概況鋼管在土建工程中應(yīng)用不久，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)就得到應(yīng)用。1879年英國(guó)賽文鐵路橋橋墩采用了鋼管混凝土橋墩，但當(dāng)時(shí)空鋼管內(nèi)灌注混凝土的目的主要是為了防銹。1901年，Sewell.J.S.第一個(gè)發(fā)表文章報(bào)導(dǎo)了方形鋼管混凝土柱的應(yīng)用情況，認(rèn)為鋼管填充混凝土不僅能防銹還能提高其剛度和承載能力。1907年美國(guó)的Lally公司首次給出了圓管混凝土柱的安全承載能力公式，此后這種被稱為L(zhǎng)ally Golumn的圓形鋼管混凝土柱在一些單層和多層房屋建筑中得以應(yīng)用。20世紀(jì)初許多學(xué)者對(duì)這中種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一系列研究。前蘇聯(lián)在30年代建成了跨越列寧格勒涅瓦河的101m鋼管混凝土拱梁組合體系橋和位于西伯

4、利亞跨徑打140m的鋼管混凝土桁拱。20世紀(jì)60年代前后,鋼管混凝土技術(shù)在蘇聯(lián)、西歐、北美、日本等國(guó)家受到重視,并對(duì)其力學(xué)性能和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行大量試驗(yàn)研究和理論分析,取得豐碩成果。近些年來(lái),美國(guó)、澳大利亞和日等國(guó)的學(xué)者,開(kāi)始研究在鋼管中填充高強(qiáng)混凝土形成的鋼管高強(qiáng)混凝土構(gòu)件的工作性能,并在這些工程結(jié)構(gòu)中推廣應(yīng)用。我國(guó)從50年代開(kāi)始將鋼管混凝土應(yīng)用于橋梁。60年代，鋼管混凝土在一些廠房柱和地鐵工程中得到應(yīng)用，80年代后期，泵灌混凝土工藝逐步完善，如泵送混凝土與高位拋落無(wú)振搗混凝土等新興技術(shù)的出現(xiàn)，使現(xiàn)場(chǎng)管內(nèi)澆灌混凝土工藝問(wèn)題得到了解決，從而掀起了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用熱潮。90年代以來(lái)，隨著對(duì)大跨、

5、高聳、重載結(jié)構(gòu)需求的提高，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在高層和超高層建筑中得到了廣泛應(yīng)用，如重慶世界貿(mào)易中心、深圳賽格廣場(chǎng)大廈等。目前,鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)已被列入國(guó)家科技成果重點(diǎn)推廣項(xiàng)目,為進(jìn)一步在實(shí)際工程中推廣應(yīng)用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)創(chuàng)造了條件。目前在國(guó)內(nèi)高層建筑和橋梁工程中，大部分的柱都采用了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。不僅其具有較好的延性，同時(shí)還能減少施工工期，節(jié)約使用空間，可以取得較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益?？傊?鋼管混凝土結(jié)構(gòu)適合我國(guó)的國(guó)情,解決了我國(guó)建筑工程20世紀(jì)50年代以來(lái),長(zhǎng)期存在而未能解決的胖柱問(wèn)題,從而提高了建筑水平。可以預(yù)期,隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,在現(xiàn)代化建設(shè)事業(yè)中鋼管混凝土結(jié)構(gòu)作為一種新的結(jié)構(gòu)形式

6、，必然有著廣闊的發(fā)展前景。2 鋼管混凝土的材料特點(diǎn)按截面形式不同，鋼管混凝土構(gòu)件可分為圓形截面、方形截面、矩形截面和多邊形截面等，目前工程中最常用的三種鋼管混凝土截面形式主要是圓形、方形和矩形?，F(xiàn)將鋼管混凝土構(gòu)件的主要特點(diǎn)敘述如下:2.1 構(gòu)件承載力高在鋼管中填充混凝土形成鋼管混凝土后，鋼管約束了混凝土，可延緩其受壓時(shí)的縱向開(kāi)裂，而混凝土卻可以延緩或避免薄壁鋼管過(guò)早地發(fā)生屈服。兩種材料相互彌補(bǔ)了各自的弱點(diǎn)，卻可充分發(fā)揮各自的長(zhǎng)處，整個(gè)構(gòu)件的承載力約為鋼管和核心混凝土單獨(dú)承載力之和的1.72.0倍。2.2 塑性和韌性好、抗震性能好單純受壓的混凝土常屬脆性破壞，但管內(nèi)核心混凝土在鋼管的約束下，不但

7、使用階段工作時(shí)提高了彈性性質(zhì)，擴(kuò)大了彈性工作階段，而且破壞時(shí)產(chǎn)生很大的塑性變形。此外，這種結(jié)構(gòu)在承受沖擊荷載和震動(dòng)荷載時(shí)，也具有很大的韌性。由于鋼管混凝土具有良好的塑性和韌性，因而抗震性能好。2.3 制作和施工方便與鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件相比，鋼管混凝土零部件少、焊縫少，而柱腳構(gòu)造簡(jiǎn)單，可直接插入混凝土基礎(chǔ)的預(yù)留口杯中，免去了復(fù)雜的柱腳結(jié)構(gòu)，由于管壁較薄，重量小，大大減輕交通運(yùn)輸和吊裝的工作，同時(shí)也減輕了現(xiàn)場(chǎng)焊接的工作量和施焊難度。與鋼筋混凝土柱相比，免除了支模、綁扎鋼筋和拆模等工序，混凝土的澆筑更為簡(jiǎn)單且不用擔(dān)心澆筑時(shí)發(fā)生漏漿現(xiàn)象。2.4 耐火性能好由于管內(nèi)存在混凝土，能吸收鋼管傳來(lái)的熱量，從而使鋼管升

8、溫滯后，故耐火極限高于鋼結(jié)構(gòu)，為抗火而增加的保護(hù)材料用量也比鋼柱省?；馂?zāi)后構(gòu)件的滯回曲線較為飽滿，沒(méi)有明顯的扭縮現(xiàn)象，具有較好的抗震性能，說(shuō)明鋼管混凝土具有良好的火災(zāi)后抗震修復(fù)能力。2.5 經(jīng)濟(jì)效益顯著與鋼結(jié)構(gòu)柱子相比，可節(jié)約鋼材50%左右，所用鋼材不但價(jià)格較低，而且材質(zhì)要求低，焊接簡(jiǎn)單，可大幅降低造價(jià)，大大提高經(jīng)濟(jì)效益。而且因管內(nèi)有混凝土，防銹面積也可減少一半，其防銹費(fèi)用低于鋼結(jié)構(gòu)；防火性能的提高，使防火保護(hù)材料用量減少，降低了防火費(fèi)用，綜合節(jié)省了成本。與鋼筋混凝土柱相比，不需要模板，節(jié)約混凝土50%以上，耗鋼量和造價(jià)略高或相等。2.6 布局美觀鋼管混凝土承載能力高，其界面可大幅縮小，解決了

9、長(zhǎng)期存在的“胖柱”問(wèn)題，使建筑物室內(nèi)空間更大，布局更加美觀合理，從而提高了建筑新技術(shù)創(chuàng)新水平。3 剛架系桿鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)剛架系桿拱是在鋼管混凝土拱橋中出現(xiàn)的拱橋新的結(jié)構(gòu)形式。我國(guó)建成的第一座鋼管混凝土拱橋四川旺蒼東河大橋采用的就是剛架系桿拱。與拱梁組合體系不同，剛架系桿拱中拱肋與橋墩?qǐng)F(tuán)結(jié)，不設(shè)支座，采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線作為拉桿來(lái)平衡換的推力，拉桿獨(dú)立于橋面系之外，不參與橋面系受力，而橋面系為局部受力構(gòu)件。這種結(jié)構(gòu)由于拱和墩連接處為剛結(jié)點(diǎn)，屬剛架結(jié)構(gòu)，又帶有系桿，故稱之為剛架系桿拱。剛架系桿拱為超靜定結(jié)構(gòu)，橋梁上部、下部以及基礎(chǔ)甚至地基連成一體，結(jié)構(gòu)的超靜定次數(shù)較多，受力復(fù)雜。由于其系桿剛度與拱

10、梁組合體系中的系桿梁剛度相比小很多，特別對(duì)于大跨徑橋梁，系桿拉力增量將產(chǎn)生很大的變形，而拱肋、系桿和墩柱團(tuán)結(jié)在一起，根據(jù)位移交形協(xié)調(diào)條件，拱的水平推力的增量主要由橋墩和拱肋自身承受，因而考慮系桿變形后它是有推力的結(jié)構(gòu)。系桿的作用是對(duì)拱施加預(yù)應(yīng)力以抵消拱的大部分水平推力，因此通常把系桿看成預(yù)應(yīng)力體外索。除去系桿承受的水平推力后余下的拱的水平推力一般來(lái)說(shuō)不大，還可以通過(guò)適當(dāng)?shù)某瑥埨o予最大限度的減小，從這個(gè)角度可以看成無(wú)推力拱。剛架系桿拱由于系桿的存在，降低了對(duì)下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的要求，使拱橋的應(yīng)用范圍從山區(qū)擴(kuò)大到了平原和城市。3.1 肋拱橋橫向結(jié)構(gòu)3.1.1橫撐布置橫撐布置對(duì)結(jié)構(gòu)橫向穩(wěn)定的影響要大于

11、其自身剛度。研究表明，拱頂附近揭撐布置成與拱軸線正交、在其他地方與拱軸線相切，對(duì)提高橫同穩(wěn)定效果較好。這是因?yàn)椋袄邫M向先穩(wěn)向面外惻傾時(shí)，拱頂處的債撐主要承受洪助的扭轉(zhuǎn)變形，采用豎向布置的橫撐增強(qiáng)了對(duì)拱肋在拱頂處的扭轉(zhuǎn)變形的約束，能提高拱的面外穩(wěn)定性。在其他地方，尤其是L4附近拱肋側(cè)傾時(shí)根撐要承受拱肋的相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，對(duì)核撐是橫向?yàn)尘兀虼?，采用切向布置（如K撐），對(duì)約束拱肋的相對(duì)錯(cuò)動(dòng)有較大的作用。橫撐在增加橫向穩(wěn)定的同時(shí)，由于它使得拱的橫向整體剛和質(zhì)量的提高，特別對(duì)于中下承式拱橋由于重心的提高，使得拱對(duì)橫向地震波的響應(yīng)增大。對(duì)于鋼管混凝土拱橋來(lái)說(shuō)，在橫向受力時(shí)，由于結(jié)構(gòu)受力并不以受壓為主，因此鋼管

12、混凝土抗壓強(qiáng)度高的特點(diǎn)并沒(méi)有得到充分發(fā)揮出.相對(duì)于寶鋼管拱橋來(lái)說(shuō)，鋼管混凝土拱橋鋼管內(nèi)混凝土的質(zhì)量加大了拱的橫向受力。因此，正確處理鋼管混凝土拱橋的橫向穩(wěn)定和抗橫向地震作用力這一矛盾顯得十分重要。3.1.2提籃拱提籃拱顯然能提高洪的橫向穩(wěn)定性。但提籃拱隨著傾角的增加，會(huì)使下部結(jié)構(gòu)工程數(shù)量也相應(yīng)增加。對(duì)拱應(yīng)直接坐落于基巖時(shí)，由于可采用分離式拱座，工程數(shù)量增加有限。拱肋的傾斜也會(huì)給施工帶來(lái)困難，因此，應(yīng)選擇合適的傾角。有關(guān)研究認(rèn)為采用X型肋拱其橫向穩(wěn)定性可比平性助拱提高12-20倍，同時(shí)也會(huì)降低拱肋的面內(nèi)極限承載力。所以，X型肋拱的內(nèi)傾角也不是越大越好，一般控制在3度15度之間，以10度附近為佳。

13、3.1.3 無(wú)風(fēng)撐拱無(wú)風(fēng)撐拱指中、下承式肋拱，出于美觀考慮，或當(dāng)橋面較寬而跨徑又不大時(shí)出于經(jīng)濟(jì)和美觀考慮，將兩肋之間的橫撐完全取消的肋拱橋，也有稱之為做四拱的。無(wú)風(fēng)撐拱主要解決拱肋的橫向失穩(wěn)問(wèn)題。解決這一問(wèn)題的途徑主要有兩個(gè)。一是提高拱肋自身的橫向抗彎剛度；二是提高結(jié)構(gòu)體系的橫向穩(wěn)定性。采用橫向圓端形截面、橫向雙圓肋、橫向底箱肋、三肢桁肋等等，都是提高拱肋自身橫向抗彎能力而采取的截面形式。對(duì)于拱梁組合體系，宜作成剛性系桿剛性拱或剛性系桿柔性拱，系桿通常采用箱形梁，除自身有較強(qiáng)的抗扭、抗拉和抗彎能力外，與縱梁固結(jié)的橋面橫梁也能極大地提高橋面系的剛度，這樣為拱肋的橫向穩(wěn)定提拱了較大的非保向力作用。

14、對(duì)于鋼管混凝土中下承式拱橋，其橋面系一般為簡(jiǎn)單懸掛的結(jié)構(gòu)，其自身的橫向剛度不大，吊桿的剛度也很柔，所以橋面系對(duì)拱肋橫向穩(wěn)定的貢獻(xiàn)與拱梁組合體系有很大的差別，因此，對(duì)于剛架系桿拱應(yīng)慎用無(wú)風(fēng)撐拱。3.2 拱肋截面構(gòu)造鋼管混凝土拱橋的拱肋，當(dāng)跨徑不大時(shí)可采用單管截面。單管截面主要有圓形和國(guó)端形，單圓管加工簡(jiǎn)單，抗扭性能好，抗軸向力性能由于緊箍力作用顯示出優(yōu)越性，但抗彎效率較低，主要用于跨徑不大的城市橋梁和人行橋中。肋拱橋中絕大部分為啞鈴形斷面，跨徑從幾十米到160m，以100m附近為多。啞鈴形截面較之單圓管截面，截面抗彎剛度較大，類似于工字形截面，但由于兩圓管的直徑與高度之比在1/2.5附近，因而不

15、能視為鋼管混凝土格構(gòu)式截面。腹腔內(nèi)的混凝土受鋼板橫向套箍作用機(jī)理復(fù)雜，缺乏研究，若采用鋼管混凝土理論計(jì)算，計(jì)算將很復(fù)雜。由于鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)理論滯后，現(xiàn)行的計(jì)算方法常將其作為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，使這一矛盾并不突出，且考慮到腹腔內(nèi)混凝土處于中和軸附近，設(shè)計(jì)計(jì)算常將其忽略，而只計(jì)及自重。啞鈴形截面的腹板與圓管相接的交角較小，而且上下兩管彎曲成型后，腹板的焊接有較大的殘余應(yīng)力，所以加工較為困難，質(zhì)量不易得到保證。在灌注混凝土過(guò)程中，腹板受混凝土壓力的作用容易外鼓，所以有時(shí)需有拉桿對(duì)拉或采用其他措施，這使得較為構(gòu)造復(fù)雜。從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)說(shuō)，鋼管混凝土構(gòu)件中鋼管的作用較大、所占的造價(jià)比重也較大，理應(yīng)將鋼材盡可

16、能地安排在外留，而啞鈴形截面并沒(méi)有使所有的鋼材都處于截面的外圍。這同鋼筋混凝土構(gòu)件將矩形截面變形工字形截面的效果不同。所以鋼管混凝土拱橋，在跨徑較小時(shí)可采用單臂截面，在跨徑增大以后應(yīng)采用桁肋斷面。橋式拱肋能夠采用較小的鋼管直徑取得較大的縱橫向抗彎剛度，且桿件以受軸向力為主，能夠充分發(fā)揮材料的特性，對(duì)跨徑超過(guò)100米的鋼管混凝土拱橋，桁肋是一個(gè)比較合適的截面形式。3.3 橋面系鋼管混凝土拱橋除拱梁組合體系橋面系為以縱梁為主外，其余均以橫梁為主結(jié)構(gòu)。它將橫梁設(shè)置于立柱上或吊桿下，然后縱向鋪設(shè)橋面板?；钶d經(jīng)橋面系通常橫梁傳給立柱或吊桿，立柱或吊桿再將荷載傳給拱肋。這種橋面系不參與總體受力，屬于局部受

17、力傳力結(jié)構(gòu)，其單位自重不隨著橋梁跨徑的增加而明顯增加，這也是這類拱橋跨徑可以較大的原因之一。在已建成的鋼管混凝土中下承式拱橋中，主拱跨徑在五六十米時(shí)，吊桿間距一般在4m左右；主拱跨徑在60150m時(shí)，吊桿間距在510m之間；跨徑超過(guò)150m以后，吊桿間距宜在12m附近。吊桿間距再大以后，橋面板的自重會(huì)增加較多，建筑高度也會(huì)隨之增大，這對(duì)中下承式拱，特別是下承式拱的總體經(jīng)濟(jì)性是不利的。當(dāng)然，無(wú)論橋梁跨徑多大，一成不變地采用4m，5米的吊桿間距也是不合理的。因?yàn)樵谶@種非拱架組合體系拱橋的橋面系中，橋面板和橫梁中活載占總荷載的比例較大，而吊桿及其錯(cuò)具的受力更是以活載控制，在412m的吊桿間距范圍內(nèi)，

18、吊桿、橫梁、橋面板的受力并不隨著吊桿間距的增大而明顯增大。因此，隨著橋梁跨徑的增大，吊桿的間距適當(dāng)?shù)丶哟螅傮w經(jīng)濟(jì)效益是好的，而且也符合審美的需要。五 結(jié)論鋼管混凝土拱橋是一種優(yōu)勢(shì)明顯、極具發(fā)展?jié)摿Φ臉蛐?，及時(shí)總結(jié)其應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)是非常必要的，而開(kāi)展深入系統(tǒng)的研究則更為重要。雖然我國(guó)在對(duì)鋼管混凝土的研究上起步較晚,但發(fā)展迅速,制定了多種應(yīng)用規(guī)范,已處于世界領(lǐng)先地位,這種堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)將為鋼管混凝土拱橋的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)用于拱橋,使拱橋的發(fā)展充滿了活力。在我國(guó)鋼管混凝土拱橋建設(shè)中,無(wú)論是數(shù)量和跨度、結(jié)構(gòu)和類型、施工技術(shù)等均世界領(lǐng)先水平。但是在鋼管混凝土拱橋這一新型領(lǐng)域還有很多需要進(jìn)一步探討的地方,如大跨度和超大跨度鋼管混凝土拱橋的空間靜動(dòng)力穩(wěn)定性分析問(wèn)題,大跨結(jié)構(gòu)空非線性變形理論分析方法,大跨度和超大跨度鋼管混凝土拱橋自架施工技術(shù)及其施工控制等問(wèn)題，在當(dāng)前的情況下，應(yīng)慎