第４期（总第１４７期） 中圄千盛暑靠 Ｎｏ．４（ＳｅｒｉａＩ Ｎｏ．１４７） ２０１０年８月 ＣＨＩＮＡ ＭＵＮＩＣＩＰＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ａｕｇ．２０１０ 钢管混凝土在桥梁工程中的应用与前景 臧华’。 涂永明 （１．南京工程学院建筑工程学院，江苏南京２１１１６７；２．东南大学土木工程学院，江苏南京２１００９６） 摘要：钢管混凝土（ＣＦＳＴ）具有承载力高、施工方便和抗震能力好等优良性能，在国内外桥梁工程中得到较为广泛的 应用。全面地总结了钢管混凝土结构在梁式桥、拱桥、斜拉桥等多种桥型中的应用情况．并着重探讨了钢管混凝土桥 墩的研究和应用现状。介绍了“部分钢管混凝土”桥墩的试验结果。探讨了钢管混凝土结构应用于桥梁工程中还有待 解决的主要问题 最后对钢管混凝土在桥梁工程中的应用前景作了展望 关键词：钢管混凝土；桥梁工程；应用；展望 中图分类号：Ｕ４４４．１８ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００４—４６５５（２０１０）０４—００３４—０３ 钢管混凝土结构凭借比强度（强度／容重）高、 钢管混凝土空间桁架组合梁式结构具有刚度大、 抗震性能好以及施工方便等多方面的优点 ］引起了 自重轻等特点，可以有效地提高结构的承载能力利 桥梁工程师们的广泛重视．并已应用于多种桥型。 用系数．因而这种组合结构在梁式体系桥梁中的应 钢管混凝土承载力高的特点可以解决普通钢筋混凝 用占有明显优势．并首先在我国的广东南海紫洞大 土可能面临的“胖柱”问题：钢管对内部混凝土的 桥上得到了成功应用 ’，之后又在万州道河沟大桥、 约束作用可以有效地改善混凝土ｆ特别是高强混凝 重庆万州特大桥以及湖北向家坝大桥上得以推广 土）的脆性问题：钢管还可以兼作模板，便于混凝 这些连续刚构桥的参数见表１ 土的浇筑：与钢结构相比．可以大大减少用钢量 表１ 钢管混凝土结构梁式桥 （文献『３］中设计了一跨径９００ ｍ的钢管混凝土梁斜 桥名 跨径／ｍ 钢管尺寸／ｍｍ 建成年份 拉桥，用钢量仅为多多罗钢结构大桥的１／３）。需要特 别强调的是．钢管混凝土拱桥的出现使得拱桥的跨 万州道河沟大桥 ４２ ３２５ ｘ ８ １９９８ 度不断刷新．主要得益于无支架施工技术的实施： 湖北向家坝大桥 ４３．３＋７２＿２＋４３．３ ７００ ｘ ２０ ２ｏｏ０ 另外．钢管混凝土结构抗震性能好的优点也给地震 重庆万州特大桥 ７５．４＋３ ｘ １２０＋７５．４ ５００ ｘ １６ ２０ｏＯ 区的桥墩提供了理想的选择形式之一 ２钢管混凝土拱桥 钢管混凝土结构最早应用于桥梁工程中的实例． 大跨度钢管混凝土拱桥在建造时．一般先施工 是１８７９年的英国Ｓｅｖｅｎ桥采用的钢管混凝土桥墩 。 拱肋部分（由一段段钢管拼接成），拱肋形成后再向 如今钢管混凝土结构已在梁式桥、拱桥、斜拉桥等 其中灌注混凝土．之后施工梁体以及张拉吊杆和系 桥型中得到了合理应用 本文结合典型的工程实例， 杆 这期间空钢管可以作为灌注混凝土的模板而承 针对钢管混凝土在各桥型中的应用情况进行阐述 受一定的荷载，从而基本实现无支架施工。同时． １ 钢管混凝土梁式桥 “拱”是以受压为主的结构形式．采用钢管混凝土作 钢管对内部混凝土的约束作用．在一定程度上 为拱桥的拱肋．可以最大限度地利用钢管抗压性能 延缓混凝土的开裂．从而使得钢管混凝土梁具有较 优越的特点 高的抗弯刚度和承载力Ｃ３ ５ｉ．可以用作梁式体系桥梁 钢管混凝土拱桥在２０世纪３０年代的前苏联就已 的承重结构 根据梁体受力的特点．可以在不同部 出现 近年来在国外也有修建 真正发展是２０世纪 位灌注不同的混凝土．如在支座附近填充密度较大 ９０年代以后的中国．特别是我国第一座大跨度钢管 的．而在跨中附近填充密度较小的混凝土以减轻自 混凝土拱桥——四川Ｉ旺苍东河大桥建成来Ｅ８ ３（见图１）。 重，增大其跨越能力；对于铁路桥梁．钢管混凝土 得到迅速发展．至今已建成数百座．其中２００５年建 可以减小火车行驶时的噪声及振动 成通车的重庆巫峡长江大桥的跨度已创纪录地 达到了４６０ ｌ＇ｎ（见图２）。表２仅列出了部分有代表性 收稿日期：２０１０－０３—１０ 的钢管混凝土拱桥 ３４ 中两千跋尘 臧华，涂永明：钢管混凝土在桥梁工程中的应用与前景 ２０１０年第４期 图１ 四川旺苍东河大桥 图２重庆巫峡长江大桥 表２部分典型的钢管混凝土拱桥 桥名 主跨／ｍ 钢管尺寸Ｉｍｍ 建成 年份 桥型 四川旺苍东河大桥 １１５ 击８００×１０ １９９０ 下承式拱桥 湖北支井河特大桥 ４３０ 击１ ２Ｏ０×３０ ２００９ 上承式拱桥 广西南宁永和桥 ３３８ 击１ ２２０×１６ ２００４ 下承式拱桥 重庆巫峡长江大桥 ４６０ 击１ ２２０ Ｘ ２２ ２００５ 中承式拱桥 湘江四大桥主桥 ４００ ４，８５０ ２００７ 斜托一拱组合桥 ３钢管混凝土斜拉桥 将钢管混凝土结构用作斜拉桥的塔柱是设计上 的一项革新．既充分发挥了“耐压”性能，又使塔 柱设计得比较轻盈 如果将主梁也设计成钢管混凝 土空间桁架组合结构，则跨越能力将大大提高 与 混凝土斜拉桥相比．由于主梁自重轻．相应可以减 少斜拉索的用量．索塔以及下部结构的截面尺寸和 材料用量都相应减少，所以不仅承担活荷载的能力 加大，而且经济优势明显。对于大跨径的斜拉桥． 主粱采用透空率大的桁架组合结构．可以提高临界 风速和抗风稳定性 钢管混凝土塔柱具有良好的荷载一位移滞回性能 和抗局部屈曲的能力．比普通钢筋混凝土塔柱有更 好的耗能能力和更小的强度退化。因而有优越的抗震 性能 。 １９９６年．我国建成了世界上第一座钢管混凝土 斜拉桥（桥塔和加劲梁均采用钢管混凝土结构） 广东南海紫洞大桥 （见图３），之后又相继建成了 几座钢管混凝土塔柱斜拉桥（见表３）。图４为２００３年 竣工的无锡蓉湖大桥 图３ 广东南海紫洞大桥 表３钢管混凝土塔柱斜拉桥 桥名 跨径，塔柱钢管 ｍ 尺寸／建成年份 主梁形式 ｍｍ 广东南海 紫洞大桥 ６９＋１４０＋６９ 西１ ８４０×２５ １９９６ 钢管混凝土 桁架粱 重庆万安 大桥 ７２＋１４０＋７２ 击ｌ ８４０ ２ｏｏＯ 钢管混凝土 桁架梁 淮北市长 山路桥 ８８＋８２ １ ５００×１８ ２ＯＯ１ 混凝土梁 预应力 无锡蓉湖 大桥 １４５＋７５ ，４２ ５００×２５ ２００３ 混凝土梁 预应力 图４无锡蓉湖大桥 ４钢管混凝土桥墩 钢管混凝土结构刚度大、承压性能好以及抗震 性能强，很适用于桥墩，尤其是地震区的桥墩… 。 钢筋混凝土桥墩在历次大地震中都表现出一定的易 损性．特别是低矮桥墩，往往延性不足而破坏。钢 管混凝土桥墩成为颇有发展潜力的结构形式之一． 并已在灾后桥墩加固中得到了大量采用 钢管混凝 土优良的力学性能已引起国外桥梁设计人员的浓厚 兴趣．有望成为地震区桥墩的备择形式之一 表４罗 列了钢管混凝土应用于桥梁墩柱的一些工程实例。 表４钢管混凝土桥墩的应用情况 桥名 跨径／ｉｎ 钢管尺寸／ｍｍ 建成年份 桥型 秋田新干线高架 ６０ ＇４６６０×１４．３ 连续刚构桥 日本京Ｊｉｆ桥 ｌ３３＋１３３ ｌ ５００ 部分斜拉桥 魏家岭跨线桥 ２４＋３５＋ ＇４９００×１０ 连续梁桥 ３５＋２４ 天津市某立交桥 ４ Ｘ ８４ １９８２ 连续梁桥 深圳北站大桥 １５Ｏ ，４２ ８００～ ２ｏｏ０ 刚架系杆拱桥 ４００ 兰州雁盐黄河桥 ８７＋１２７＋ ｄ，３ ５Ｏ０×２０ ２０ｏ３ 剐架系杆拱桥 ８５ 南京龙池立交桥 ２１＋２ ｘ ３５十２ｌ 击１ ４００×１０ 连续梁桥 ３５ 中圄千跋工 臧华，涂永明：钢管混凝土在桥梁工程中的应用与前景 ２０１０年第４期 文献『１１ １提出一种新型的结构形式——部分钢 管混凝土桥墩．即仅在钢筋混凝土桥墩的潜在塑性 铰区设置钢管来取代箍筋（这和钢管加固墩柱有所 不同），目的是为了提高桥墩的延性．改善抗震性 能，而对承载力影响很小 通过４根桥墩构件的试验 表明．其抗震性能大大增强．还克服了普通钢管混 凝土桥墩中墩底（或墩顶）存在的局部屈曲的问题 但是，这种结构形式的力学性能、计算模型和设计 方法等有待进一步研究：钢管与混凝土交界处的构 造处理还需研究 ５值得进一步研究的问题 虽然钢管混凝土在桥梁工程中的应用已较常见 （主要用作拱桥的拱肋），但在桥墩、斜拉桥和悬索 桥的塔柱中的应用还相对较少．其承载力高、抗震 性能好的优势还有很大的发挥余地 鉴于钢管混凝 土结构性能的复杂性．诸多问题还有待深入研究和 探索。 １）规范（规程）的编制或修订。目前我国桥梁规 范中尚未涉及钢管混凝土墩柱设计、施工的相关条 文，设计人员无章可循 ２）大直径钢管混凝土力学性能研究 桥梁结构的 荷载相对于建筑结构要大得多．使得墩柱尺寸较大． 而大直径情况下钢管对混凝土的约束效果有待进一 步研究（如兰州雁盐黄河桥桥墩直径为４ ｍ．由于把 握不准钢管对混凝土的约束效果而没有考虑承载力 的提高部分，只是作为安全储备） ３）桥梁墩柱轴压比的确定 高层建筑中钢管混凝 土柱可以不限制轴压比而限制其长细比 ：而桥梁墩 柱的轴压比很小ｆ一般低于０．２）［Ｈｉ．若按常规的轴压 比来设计钢管混凝土墩柱．承载力高的优势则很难 体现出来．所以如何确定是一个问题 ４）复式钢管混凝土、多层钢管混凝土和格构式钢 管｝昆凝土结构的研究和应用 由于钢管的厚度受到 轧制、卷制和焊接等工艺要求的限制，所以不宜太 厚，墩柱（或塔柱）的尺寸不宜太大（否则钢管对 混凝土的约束效果较差） 当用于大跨或超大跨桥梁 时，需采用复式、多层或者格构式钢管混凝土结构， 以解决普通单层钢管混凝土墩柱（或塔柱）可能面 临的承载力或刚度不足的问题 ５）抗震性能的深入研究 现有关于钢管混凝土墩 柱抗震性能的研究还较少．诸如滞回模型等问题有 必要作深入研究 ６）长期工作性能 桥梁所处的环境一般均较建筑 结构恶劣得多．钢管耐久性以及混凝土收缩徐变对 ３６ 桥梁受力性能的影响有待进一步的理论研究、试验 研究和工程实践来验证 ７）设计研究方面。探索钢管混凝土墩柱、塔柱的 合理设计方法．研究钢管端部与墩台（或帽梁）的 节点构造，钢管内壁剪力键的设计研究Ｉｎ］ ６应用前景展望 工程实践已表明，钢管混凝土不仅是一种高强、 高性能结构材料．也是一种高效的施工技术 将钢 管混凝土引入到桥梁工程．可能会给桥梁发展带来 新的变革元素 合理利用钢管混凝土结构的优点． 可以较经济地增大桥梁跨度、减小构件截面、提高 抗震能力、改善整体结构 可以预见．随着对钢管混凝土理论研究的日益 成熟，桥梁结构设计与施工相关规范（规程）的不 断修订完善．钢管混凝土结构凭借在结构性能以及 施工方面的优势．在未来的桥梁建设中．将会越来 越多地得到应用 特别是用作桥梁的墩柱．可以充 分发挥承载力高、抗震性能好等特点，是地震多发 区和城市桥梁墩柱设计的理想选择之一：对于高速 铁路而言，钢管混凝土结构刚度大的特点还可以减 小桥梁的横向振动．故为铁路桥梁墩柱的设计增添 了一种选择 参考文献： ［１］蔡绍怀．现代钢管混凝土结构［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２００３． ［２］韩林海．钢管混凝土结构——理论与实践［Ｍ］．北京：科学出版社， ２００４． ［３］ＮＡＫＡＭＵＲＡ Ｓ，ＭＯＭＩＹＡＭＡ Ｙ，Ｈ０ＳＡＫＡ Ｔ，ｅｔ ａ１．Ｎｅｗ ｔｅｅｈ— ｎｏｌｏｇｉｅｓ ｏｆ ｓｔｅｅｌ—ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｂｒｉｄｇｅｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｌ Ｓｔｅｅｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，２００２（５８）：９９—１３０． ［４］钟善桐．钢管混凝土结构［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００３． ［５］ＭＯＳＳＡＨＥＢＩ Ｎ，ＹＡＫＥＬ Ａ，ＡＺＩＺＩＮＡＭＩＮＩ Ａ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｉｎ— ｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｂｒｉｄｇｅ ｇｉｒｄｅｒ ｍａｄｅ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｔｕｂｅ ｆｉｌｌｅｄ ｗｉｔｈ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｌ Ｓｔｅｅｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，２００５（６１）：３７１－３８６． ［６］代向群，毛健．南海紫洞大桥钢管混凝土斜拉桥的设计［Ｊ］．公路交 通科技．２００２（４）：７４—７８． ［７］张联燕，李泽生，程懋方．钢管混凝土空间桁架组合梁式结构［ｉ Ｊ． 北京：人民交通出版社．１９９９． ［８］陈宝春．钢管混凝土拱桥设计与施工［Ｍ］．北京：人民交通出版社， １９９９． ［９］刘钊，施大震，吴蕾，等．一座钢管混凝土塔柱斜拉桥的结构设计 特色［Ｊ］．桥梁建设，２００２（５）：２６—２９． 『１０］刘钊，吴京．吕志涛．钢管混凝土塔柱斜拉桥的动力特性和地震 响应［Ｊ］．桥梁建设，２００１（５）：１０—１３． ［１１］臧华．钢管混凝土桥墩的静力与抗震性能研究［Ｄ］．南京：东南大 学．２００８． ［１２］Ｈａｊｊａｒ．Ｃｏｎｃｒｅｔｅ—ｆｉｌｌｅｄ ｓｔｅｅｌ ｔｕｂｅ ｃｏｌｕｍｎｓ ｕｎｄｅｒ ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ ｌｏａｄｓ ［Ｊ］．Ｐｒｏｇ． Ｓｔｕｒｃｔ． Ｅｎｇｎｇ Ｍａｔｅｒ，２０００ （２）： ７２－８１．