我国钢管混凝土拱桥发展情况分析

我国钢管混凝土拱桥发展情况分析
作者：李俊保王延杰
来源：《建筑工程技术与设计》2014年第24期
摘要：在桥梁建筑施工工程中，钢管混凝土的施工主要以拱桥为主。

因其强度高、跨越能力大、施工便捷、经济效果好、桥型美观等优点在我桥梁中得到了广泛应用。

本文介绍了钢管混凝土拱桥的应用及理论研究现状，对其发展优势发展中存在的问题进行了分析，最后展望了钢管混凝土拱桥的发展趋势。

关键词：桥梁施工；钢管混凝土；拱桥
1.引言
钢管混凝土结构是由混凝土填入薄壁钢管内而形成的一种组合结构，其基本原理是借助钢管对核心混凝土的套箍约束作用，使核心混凝土处于三向受压状态，从而使核心混凝土具有更高的抗压强度和更强的塑性变形能力。

钢管混凝土除具有强度高、重量轻、延性好、耐疲劳、耐冲击等优越的力学性能外，还具有省工省科、架设轻便、施工快速等优越的施工性能。

理论研究和工程应用表明，钢管混凝土拱桥在设计、施工、经济以及美观上都有其独特的优越性。

2.钢管混凝土构件材料特点
2.1组合材料是钢管内填混凝土，在一般正常工作状态下，两种不同力学性能的材料产生相互增强的作用力，即紧箍力来协调工作。

钢管混凝土在低应力，轴压力和粘结力三向压应力作用下，其工作性能发生了质的变化，不但提高了承载力，还增大了极限压缩应变；在轴心压力作用下，薄壁钢管的承载力是极不稳定的。

实验证明，钢管混凝土作为一种组合材料具有独特的工作特性，弹性工作而塑性破坏，承载力高而极限压缩变形大。

其应力应变关系接近于钢材的性能。

2.2试验表明，钢管混凝土柱破坏时可以压缩到原长的2/ 3，整个构件呈现塑性破坏的特征，所以这种构件在承受冲击和振动荷载时，具有很好的变形能力和变形后的恢复能力，由这种构件组成的结构体系就具有较好的动力性能，在地震荷载和风荷载作用下，表现良好的稳定性。

再者，钢管混凝土有利于采用高强度材料，近年来高强混凝土的应用越来越广泛，但是，混凝土强度越高，其脆性破坏越严重，这就限制了高强混凝土的应用，只有在三向受力状态下，才能防止混凝土的脆性爆裂，而钢管混凝土就有这样的优点。

3.用于拱结构的优点
3.1拱桥的拱肋是以受压为主的构件，其稳定性问题较为突出；在大跨度桥梁中，一般采用高强度材料，而桥梁跨度的增加，就要求提高其抗振能力，从而要求结构具有较好的延性和恢复性能。

不仅如此，钢管混凝土拱桥可以大大减小桥梁的自重，还可以很大程度上改
善大跨度拱桥中抗风能力和抗震能力。

大跨度钢筋混凝土拱桥虽然可以采用空心拱肋构件，但其截面的外形尺寸较大，阻风面积大，从而所受风荷载大，其侧向稳定性差；而用钢管混凝土材料，拱肋可以根据需要做成合理型式的格构式曲桁架结构，同时获得所必须的结构刚度，在保证构件的整体稳定性的基础上，使拱肋结构通透，阻风面积小，所受风荷载减小，从而改善其横向稳定性能。

3.2计算机和有限元方法在桥梁结构分析中的应用和发展，使高度复杂结构和其在复杂的荷载作用下的力学性能的计算成为可能，并可以获得较高的精度，从而对钢管混凝土拱肋格构结构的整体力学性能得到可靠的计算和分析，保证设计的安全性和经济性。

钢管混凝土拱桥有如下几点特征：
3.1.1拱桥面内振动的自振基频较面外大，但很接近。

表明结构的面外的刚度已接近面内的刚度，从而反映其在横向有足够的安全度。

3.1.2拱桥的面内基频在0. 655～ 1. 602Hz 之间，换算自振周期为1. 527～ 0. 625s，超过一般单孔刚性结构的0. 3～ 0. 4s 的自振周期，说明钢管混凝土拱桥属于较柔性的结构，当跨度加大时，构造上要采取相应的措施，同时在动力分析中要考虑高阶振型的影响。

3.1.3人体对振动比较敏感的频率范围是2～6Hz。

人体在桥上时，一般不会感到明显的振动，从而可以保证桥梁运营时的舒适度。

4.拱桥的施工特点
4.1阻碍桥梁向大跨度方向发展的一个最主要的难题就是大跨度桥梁的施工问题。

这种困难主要来源于两个方面：施工控制和施工工艺，施工控制随着施工工艺的不同而不同，而施工控制又保证施工工艺的顺利进行。

由于大跨度桥梁在施工过程中，结构的受力体系是不断转换的，在施工中将产生内力和变形，并且这些内力和变形是不断变化的，在施工中控制体系的内力和变形是个复杂的施工力学问题；而构件的吊装或浇筑，由于大跨度桥梁作业量大，作业范围广，因此要求较先进的施工工艺。

在拱桥的施工中常采用自架设施工方法。

4.2自架法，就是在施工中把桥梁上部结构分成若干组成部分，按多个施工阶段拼装或浇筑起来，而先完成的结构部分为下一施工阶段的运输和架设提供支撑体系，直到全桥的完成。

自架设体系可以大大减少施工设备和临时设施的费用，缩短施工工期。

4.3钢管混凝土拱桥有两类，一种是钢管外露的，钢管以参与结构受力为主，同时也是施工过程中的支架和浇筑管肉混凝土的模板，成桥过程先合拢钢管骨架，再浇筑管内混凝土形成主拱圈；另一种钢管以施工受力为主，当然也参与成桥的受力，成桥过程是先合龙钢管骨架，然后浇筑管内混凝土形成钢管混凝土劲性骨架，再将钢管混凝土劲性骨架作为埋置式拱架浇筑外包混凝土，形成主拱圈。

在整个施工过程中，除了在钢管的吊装阶段，结构的受
力体系一直是不变的，而在钢管吊装中，由于钢管自重轻，强度和刚度大，因此可以较好的进行施工控制。

5.拱桥造型艺术
5.1钢管混凝土拱桥不仅在力学上有其优越性，在拱桥的设计造型上也有无可比拟的优点。

长期以来，特别是在我国，由于经济上的原因，桥梁设计往往只是考虑功能上的要求，而不考虑桥梁美学这个问题。

拱桥是个极富美感的桥型，在我国有着悠久的历史，有很强的民族特色。

但传统的石拱桥和钢筋混凝土拱桥在大跨度拱桥中无法体现拱桥的美感，这种大跨度拱桥的侧向刚度一般较小，横向稳定性差，为了弥补这方面的缺点，只有把拱肋构件的截面做大，而这样使拱桥显得笨重。

5.2在桥梁美学上表现在以下方面：（1）拱桥的主要受力构件是拱肋，而弧形的拱肋线条简洁流畅，优美纤细，使整个桥梁显得轻盈、简洁；吊杆的重复布置，多肢拱肋的各种弦杆，使桥梁具有动感变化的韵律和节奏；大跨度的拱肋不仅有跨度，还有高度，极富有力度，使桥梁显示一种生机勃勃的气质和雄伟壮观的气势，从而使桥梁充满生命感、充实感和稳定感。

（ 2）钢管混凝土结构的材料强度高，稳定性好，因此，在拱桥造型上以及拱肋的布置上可以追求多样化。

这样，可以根据功能和环境的不同采用不同的桥型和拱肋布置，使拱桥在满足功能的要求上，与拱桥所处环境相协调，从而使拱桥更具美感。

6.结语
对钢管混凝土的研究，虽然在我国起步较晚，但发展迅速，制定了多种应用规范，已处于世界领先地位，这种坚实的理论基础和丰富的工程实践经验将为钢管混凝土拱桥的发展奠定了基础。

参考文献：
[1] 蔡绍怀.现代钢管混凝土结构（修订版）[M ].北京：人民交通出版社，2007.
[2]陈宝春.钢管混凝土拱桥设计与施工.北京：人民交通出版社，1999
[3]钟善桐.钢管混凝土结构（第3版），北京：清华大学出版社，2003
[4]盛洪飞. 桥梁建筑美学. 人民交通出版社， 1999。