鋼管混凝土橋墩在橋梁工程中的應用

鋼管混凝土橋墩在橋梁工程中的應用

由于聽說力（強度）高、抗疲勞性能好、施工方便等優(yōu)點，路橋工程師引起了人們的廣泛關注。它也適用于各種橋梁類型。鋼管混凝土承載力高的特點可以解決普通鋼筋混凝土可能面臨的“胖柱”問題;鋼管對內部混凝土的約束作用可以有效地改善混凝土(特別是高強混凝土)的脆性問題;鋼管還可以兼作模板,便于混凝土的澆筑;與鋼結構相比,可以大大減少用鋼量(文獻中設計了一跨徑900m的鋼管混凝土梁斜拉橋,用鋼量僅為多多羅鋼結構大橋的1/3)。需要特別強調的是,鋼管混凝土拱橋的出現(xiàn)使得拱橋的跨度不斷刷新,主要得益于無支架施工技術的實施;另外,鋼管混凝土結構抗震性能好的優(yōu)點也給地震區(qū)的橋墩提供了理想的選擇形式之一。鋼管混凝土結構最早應用于橋梁工程中的實例,是1879年的英國Seven橋采用的鋼管混凝土橋墩。如今鋼管混凝土結構已在梁式橋、拱橋、斜拉橋等橋型中得到了合理應用。本文結合典型的工程實例,針對鋼管混凝土在各橋型中的應用情況進行闡述。1灌注鋼管混凝土鋼管對內部混凝土的約束作用,在一定程度上延緩混凝土的開裂,從而使得鋼管混凝土梁具有較高的抗彎剛度和承載力,可以用作梁式體系橋梁的承重結構。根據(jù)梁體受力的特點,可以在不同部位灌注不同的混凝土,如在支座附近填充密度較大的,而在跨中附近填充密度較小的混凝土以減輕自重,增大其跨越能力;對于鐵路橋梁,鋼管混凝土可以減小火車行駛時的噪聲及振動。鋼管混凝土空間桁架組合梁式結構具有剛度大、自重輕等特點,可以有效地提高結構的承載能力利用系數(shù),因而這種組合結構在梁式體系橋梁中的應用占有明顯優(yōu)勢,并首先在我國的廣東南海紫洞大橋上得到了成功應用,之后又在萬州道河溝大橋、重慶萬州特大橋以及湖北向家壩大橋上得以推廣。這些連續(xù)剛構橋的參數(shù)見表1。2鋼管混凝土系統(tǒng)結構大跨度鋼管混凝土拱橋在建造時,一般先施工拱肋部分(由一段段鋼管拼接成),拱肋形成后再向其中灌注混凝土,之后施工梁體以及張拉吊桿和系桿。這期間空鋼管可以作為灌注混凝土的模板而承受一定的荷載,從而基本實現(xiàn)無支架施工。同時,“拱”是以受壓為主的結構形式,采用鋼管混凝土作為拱橋的拱肋,可以最大限度地利用鋼管抗壓性能優(yōu)越的特點。鋼管混凝土拱橋在20世紀30年代的前蘇聯(lián)就已出現(xiàn)。近年來在國外也有修建。真正發(fā)展是20世紀90年代以后的中國,特別是我國第一座大跨度鋼管混凝土拱橋——四川旺蒼東河大橋建成來(見圖1),得到迅速發(fā)展,至今已建成數(shù)百座,其中2005年建成通車的重慶巫峽長江大橋的跨度已創(chuàng)紀錄地達到了460m(見圖2)。表2僅列出了部分有代表性的鋼管混凝土拱橋。3鋼管混凝土塔柱的應用將鋼管混凝土結構用作斜拉橋的塔柱是設計上的一項革新,既充分發(fā)揮了“耐壓”性能,又使塔柱設計得比較輕盈。如果將主梁也設計成鋼管混凝土空間桁架組合結構,則跨越能力將大大提高。與混凝土斜拉橋相比,由于主梁自重輕,相應可以減少斜拉索的用量,索塔以及下部結構的截面尺寸和材料用量都相應減少,所以不僅承擔活荷載的能力加大,而且經(jīng)濟優(yōu)勢明顯。對于大跨徑的斜拉橋,主梁采用透空率大的桁架組合結構,可以提高臨界風速和抗風穩(wěn)定性。鋼管混凝土塔柱具有良好的荷載—位移滯回性能和抗局部屈曲的能力,比普通鋼筋混凝土塔柱有更好的耗能能力和更小的強度退化,因而有優(yōu)越的抗震性能。1996年,我國建成了世界上第一座鋼管混凝土斜拉橋(橋塔和加勁梁均采用鋼管混凝土結構)———廣東南海紫洞大橋(見圖3),之后又相繼建成了幾座鋼管混凝土塔柱斜拉橋(見表3)。圖4為2003年竣工的無錫蓉湖大橋。4災后橋墩的加固鋼管混凝土結構剛度大、承壓性能好以及抗震性能強,很適用于橋墩,尤其是地震區(qū)的橋墩。鋼筋混凝土橋墩在歷次大地震中都表現(xiàn)出一定的易損性,特別是低矮橋墩,往往延性不足而破壞。鋼管混凝土橋墩成為頗有發(fā)展?jié)摿Φ慕Y構形式之一,并已在災后橋墩加固中得到了大量采用。鋼管混凝土優(yōu)良的力學性能已引起國外橋梁設計人員的濃厚興趣,有望成為地震區(qū)橋墩的備擇形式之一。表4羅列了鋼管混凝土應用于橋梁墩柱的一些工程實例。文獻提出一種新型的結構形式——部分鋼管混凝土橋墩,即僅在鋼筋混凝土橋墩的潛在塑性鉸區(qū)設置鋼管來取代箍筋(這和鋼管加固墩柱有所不同),目的是為了提高橋墩的延性,改善抗震性能,而對承載力影響很小。通過4根橋墩構件的試驗表明,其抗震性能大大增強,還克服了普通鋼管混凝土橋墩中墩底(或墩頂)存在的局部屈曲的問題。但是,這種結構形式的力學性能、計算模型和設計方法等有待進一步研究;鋼管與混凝土交界處的構造處理還需研究。5橋梁墩柱設計研究雖然鋼管混凝土在橋梁工程中的應用已較常見(主要用作拱橋的拱肋),但在橋墩、斜拉橋和懸索橋的塔柱中的應用還相對較少,其承載力高、抗震性能好的優(yōu)勢還有很大的發(fā)揮余地。鑒于鋼管混凝土結構性能的復雜性,諸多問題還有待深入研究和探索。1)規(guī)范(規(guī)程)的編制或修訂。目前我國橋梁規(guī)范中尚未涉及鋼管混凝土墩柱設計、施工的相關條文,設計人員無章可循。2)大直徑鋼管混凝土力學性能研究。橋梁結構的荷載相對于建筑結構要大得多,使得墩柱尺寸較大,而大直徑情況下鋼管對混凝土的約束效果有待進一步研究(如蘭州雁鹽黃河橋橋墩直徑為4m,由于把握不準鋼管對混凝土的約束效果而沒有考慮承載力的提高部分,只是作為安全儲備)。3)橋梁墩柱軸壓比的確定。高層建筑中鋼管混凝土柱可以不限制軸壓比而限制其長細比;而橋梁墩柱的軸壓比很小(一般低于0.2),若按常規(guī)的軸壓比來設計鋼管混凝土墩柱,承載力高的優(yōu)勢則很難體現(xiàn)出來,所以如何確定是一個問題。4)復式鋼管混凝土、多層鋼管混凝土和格構式鋼管混凝土結構的研究和應用。由于鋼管的厚度受到軋制、卷制和焊接等工藝要求的限制,所以不宜太厚,墩柱(或塔柱)的尺寸不宜太大(否則鋼管對混凝土的約束效果較差)。當用于大跨或超大跨橋梁時,需采用復式、多層或者格構式鋼管混凝土結構,以解決普通單層鋼管混凝土墩柱(或塔柱)可能面臨的承載力或剛度不足的問題。5)抗震性能的深入研究?，F(xiàn)有關于鋼管混凝土墩柱抗震性能的研究還較少,諸如滯回模型等問題有必要作深入研究。6)長期工作性能。橋梁所處的環(huán)境一般均較建筑結構惡劣得多,鋼管耐久性以及混凝土收縮徐變對橋梁受力性能的影響有待進一步的理論研究、試驗研究和工程實踐來驗證。7)設計研究方面。探索鋼管混凝土墩柱、塔柱的合理設計方法,研究鋼管端部與墩臺(或帽梁)的節(jié)點構造,鋼管內壁剪力鍵的設計研究。6土結構應用前景工程實踐已表明,鋼管混凝土不僅是一種高強、高性能結構材料,也是一種高效的施工技術。將鋼管混凝土引入到橋梁工程,可能會給橋梁發(fā)展帶來新的變革元素。合理利用鋼管混凝土結構的優(yōu)點,可以較經(jīng)濟地增大橋梁跨度、減小構件截面、提高抗震能力、改善整體結構?？梢灶A見,隨著對鋼管混凝土理論研究的日益成熟,橋梁結構設計與施工相關規(guī)范(規(guī)程)的不斷修訂完善,鋼管混凝土