摘要:钢管混凝土结构的理论研究和工程应用在我国越来越深入和广泛, 这种结构应  用到拱桥上, 在力学性能、施工、经济以及美观等方面, 表现出很大程度的优越性, 极大促进了拱桥的发展。  关键词钢管混凝土 拱桥  力学性能  钢管混凝土结构的研究和在土木工程中的应用已经有100 多年的历史, 但在近十年来才应用于桥梁结构上, 在我国主要应用于拱桥。从1990 年我国第一座大跨度钢管混凝土拱桥四川旺苍大桥建成至今, 已建和在建的钢管混凝土拱桥已经超过100 多座, 其中最大跨度达到400m。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。专家预言, 钢管混凝土拱桥的跨度将会达到甚至超过斜拉桥。 1 钢管混凝土结构计算理论  目前就钢管混凝土的研究取得重大的成果, 形成了多种理论, 一批有代表性的著作相继出版, 并在这些理论基础上制定了相应的规程5􀏀6􀏀7。而钟善桐教授等人在大量试验和有限元计算的基础上提出的统一理论较好的反映出钢管混凝土组合材料的工作状况。统一理论认为: 钢管混凝土为统一的一种组合材料, 用构件的整体几何特性( 全截面面积和抵抗矩等) 和钢管混凝土的组合力学性能指标来计算构件的各项承载力, 不再区分钢管和混凝土。众所周知, 构件的工作性能, 除与受力状况有关外, 还随着材料的物理参数、构件的几何参数和截面形式,以及构件的应力状态的改变而改变, 且变化是连续的、相关的, 这样就可得到钢管混凝土构件从单项受力状态到多项复杂受力状态用统一的计算参数和公式来表达。在此理论上提出了钢管混凝土构件各种力学参数的计算公式, 并制定了相应的规范, 方便了钢管混凝土结构的设计; 在动力性能方面, 建立循环荷载作用下钢管混凝土组合材料的本构关系, 提出了简化的两折线模型和三折线模型, 如图1( 图中符号见参考文献2  , 虚线为实际的应力应变关系曲线) 。 2 钢管混凝土构件的材料特点  钢管混凝土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。钢材在弹性工作阶段, 泊松比s 变化很小, 在0. 25~ 0. 3之间, 可认为是常数, 取s= 0. 283; 而混凝土的泊松比c 受力过程中是不断变化的, 由低应力状态下的0. 167 左右逐渐增大到0. 5, 当接近破坏阶段时,由于混凝土内部纵向微裂缝的发展, c 将超过0. 5.对于钢管混凝土而言, 在轴压力的作用下, c 逐渐增大, 并且迅速地超过钢材的泊松比s。当s= c  时, 钢管和混凝土的径向变形一致, 相互间没有任何作用力; 当s< c, 钢管限制了混凝土的径向变形,根据变形协调关系, 相互间产生紧箍力; 而s> c  时, 相互间是粘结力。混凝土在三向压应力作用下,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, 实际承载力往往是理论计算值的13~15, 当在管内浇筑混凝土, 并达到一定强度后, 钢管保护了混凝土, 约束其径向变形, 使它处于三向受力状态, 延缓了受压时的纵向开裂, 而混凝土又保证了薄壁钢管的局部稳定, 从而提高了钢管混凝土构件的承载力。因此, 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。同时, 核心混凝土在钢管的约束下, 改善了其弹性性质, 破坏时产生很大的变形。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 钢管混凝土应用于拱结构的优点  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。钢管混凝土组合材料用于拱桥中能很好满足以上问题。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。大跨度拱桥的侧向刚度一般较小, 在风荷载作用下, 产生较大的侧向变形, 影响桥梁的运营, 甚至导致破坏。构件所受风荷载的大小与拱桥所在地区的基本风压、构件的风载体型系数、构件的阻风外部尺寸等因素有关。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。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。地震分析表明, 拱肋截面的变小, 将减小地震作用下结构的地震反应和结构内力, 这给设计带来经济效益。表1 为部分钢管混凝土拱桥的动力性能参数表。从表中数据可以知道, 钢管混凝土拱桥有如下几点特征: ( 1) 除依兰牡丹江大桥外, 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。对于无风撑的拱桥( 如依兰牡丹江大桥) , 虽然面外基频较小, 但分析表明, 横向刚度还是满足要求, 在动荷载作用下, 横向发生较大变形, 但产生的应变和应力小。 ( 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) 人体对振动比较敏感的频率范围是2~6Hz, 而表1 中的数据均不在此范围之内。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 钢管混凝土拱桥的施工特点  大跨度钢管混凝土拱桥的优越性还表现在施工上。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。拱桥的各种施工方法均适用于钢管混凝土拱桥, 如有支架施工法、缆索吊装法、平( 竖) 转体施工法, 而对大跨特大跨径钢管混凝土拱桥, 特别适合采用自架设施工方法。所谓自架设

　　施工方法, 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, 因此无论是从施工的可能性还是经济合理性来说, 大跨度桥梁的施工一般采用自架设方法。钢管混凝土拱桥有两大类, 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 钢管混凝土拱桥造型艺术  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, 如我国的赵州桥和卢沟桥等。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。桥梁美涉及的内容很多, 包括使用功能、结构合理、环境协调以及外形美观等, 钢管混凝土拱桥( 特别是中、下承式拱桥上) 在桥梁美学上可以表现在以下方面: ( 1) 钢管混凝土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( 上承式除外) 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。首先, 在拱肋截面布置上, 可以做成哑铃形、三角形、四边形等; 其次, 在拱肋数量上, 可以是单肋拱、双肋拱、三肋拱等; 在拱肋布置上, 可以是平行桥面布置, 也可以与桥面斜交布置, 也可以两拱肋在拱顶连接布置等等。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。钢管混凝土结构用于拱桥, 使拱桥的发展充满了活力。在我国钢管混凝土拱桥建设中, 无论是数量和跨度、结构和类型、施工技术等均世界领先水平。但是在钢管混凝土拱桥这一新型领域还有很多需要进一步探讨的地方, 如大跨度和超大跨度钢管混凝土拱桥的空间静动力稳定性分析问题, 大跨结构空非线性变形的理论分析方法, 大跨度和超大跨度钢管混凝土拱桥自架施工技术及其施工控制等问题。

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