钢管混凝土拱桥的研究

钢管混凝土拱桥的应用和发展

娄阳崇1

(1.华中科技大学，湖北武汉430074)

摘要：由于钢管混凝土具有承载力高,耐腐蚀,便于施工等一系列优点,它在土木工程中的应用越来越广泛,尤其在桥梁工程中的应用也越来越引起人们的兴趣与重视。本文介绍了钢管混凝土的主要特点以及钢管混凝土拱桥在我国的应用概况,并提出目前存在的问题及未来的发展方向。 关键词：钢管混凝土;钢管混凝土拱桥; 应用;发展

引 言

随着英国赛文铁路桥的桥墩首次采用钢管混凝土这种组合材料以来，国内外的专家学者对这种组合材料性能的研究一直没有停止过。随着研究的不断深入，施工工艺的大幅度改进，工程应用日益广泛，高层建筑、工业厂房、桥梁及港口工程中均有应用，特别在桥梁上的应用更加突显了其优越的力学特性。据2005 年年初统计，建成中等跨度以上的钢管混凝土拱桥多达230 座，其发展速度之快,为中外建桥史所罕见。

1 钢管混凝土的基本原理

钢管混凝土,英文简称CFST。它是将高强混凝土灌入薄壁圆钢管内而形成的组合结构材料,利用在一般的工作状态下,2 种不同力学性能的材料产生相互作用,即紧箍力来协调工作。作者在此以工程中使用最多的圆形钢管混凝土短柱为例来介绍钢管混凝土的工作原理,如图1 所示。钢材在弹性工作阶段,泊松比μs 变化很小,在0. 25 ～ 0. 3 之间, 可以认为是常数。取μs =0. 283 ;而混凝土的泊松比μc 在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,将超过0. 5。对于钢管混凝土而言,在轴压力的作用下,μc 逐渐增大,并且迅速地超过钢材的泊松比μs 。当μs =μc 时,钢管和混凝土的径向变形一致,相互间没有紧箍力存在;当μs <μc ,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;当μs >μc 时,此时钢管已进入塑性屈服阶段,相互间作用力只剩下粘结力。由于紧箍力的存在,使得钢管与混凝土处于三向受力状态,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,而且还增大了其极限压应变;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,钢管实际承载力往往是理论计算值的1/3～1/5。当在钢管内浇筑混凝土并达到一定强度后,混凝土保证了薄壁钢管的局部稳定,反过来,钢管又约束混凝土的径向变形,使它处于三向受压应力状态,延缓了受压时的纵向开裂,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。其应力应变关系近似于钢材的性能。

图1

2 钢管混凝土的计算理论

自从发现套箍混凝土比一般结构的混凝土承载能力有较大提高以来,国内外均开展了对这方面的系统研究,取得了丰硕的成果,出版、发表了大量的专著、论文,钢管混凝土则是其中比较突出的一种。尽管如此,目前对钢管混凝土仍存在许多不同的观点,理论研究仍不完善。

钢管混凝土结构力学性能的研究方法很多 ,主要区别在于如何估算钢管和核心混凝土之间的相互约束而产生的“效应”，从而比较真实地反映钢管混凝土结构实际的承载力。根据对钢管混凝土组合结构理解的不同,目前主要有2 种分析方法：一种认为钢管混凝土是由钢管和混凝土2 种不同材料组成的组合结构，考虑钢管对混凝土的套箍作用,利用极限平衡原理导出相应的计算公式,该方法的优点在于避开了复杂的弹塑性阶段,无需确定材料的本构关系,直接根据结构处于极限状态时的平衡条件计算出极限状态的荷载数值。由于钢管混凝土结构的受力路径非常复杂,所以导出的公式大多数是半理论半经验的；另一种认为钢管混凝土是一个结构，通过测定钢管和混凝土准确的本构关系,利用屈服准则，采用增量法逐步计算出钢管混凝土结构的荷载--位移曲线,在此基础上确定各种力学指标,公式以回归居多。因为在本构关系中已经考虑了套箍效应,故其力学指标中也已经包含了套箍效应的影响。上述理论已分别为国内有些部委所采纳,并编制了相应的规范或规程，如钢管混凝土本构关系,特别是处于三向受压状态的核心混凝土本构关系。即使是最基本的钢管混凝土短柱试件,如钢管混凝土短柱的长细比值,钢管的纵向应变与核心混凝土的纵向应变不协调一致等尚未取得一致看法

3 国内钢管混凝土拱桥的应用和发展

钢管混凝土拱桥有两大类: 一种是内填型钢管混

凝土拱桥，其钢管管壁外露，结构含钢率较高，可以充分利用钢管混凝土这种组合材料抗压强度高、抗冲击能力强的特点。钢管作为核心混凝土浇注过程中的模板和支架，方便了施工，更重要的是其增大了跨越能力， 另一种是内填外包型钢管混凝土拱桥，它主要解决大跨度拱桥的拱肋安装问题，首先架设自重轻，强度、刚度均较大的钢管骨架，然后在空钢管内浇注混凝土形成钢管混凝土，再在钢管混凝土骨架外挂模板浇注外包混凝土，形成钢筋混凝土结构，这种结构常称为“劲性骨架混凝土”。在这种结构中钢管和随后形成的钢管混凝土主要是作为施工的劲性骨架来考虑。成桥后，作为拱跨结构的一部分参与受力，但其用量通常是由施工设计控制。

国内钢管混凝土在桥梁工程中开始得到研究和应用是在20 世纪80 年代。1990 年10 月建成首座钢管混凝土拱桥———四川省旺苍县东河大桥,跨度115 m ,拱肋由上下2 根钢管2Φ 800 ×10 mm 组成哑铃形断面,内灌C30 混凝土,Q235 钢材。此后,在10余年时间内,钢管混凝土拱桥在我国得到迅猛发展,国各地大量地建成了采用钢管混凝土的大跨度拱桥。如1995 年竣工的广东省南海三山西大桥,为中承式拱桥,L = 200 m ,两端各带1 个45 m 的上承式半拱,主跨拱肋由4 根Φ 0. 75 m 的钢管混凝土组成1. 8 ×3. 5 m 的四边形组合截面,用预应力钢绞线作为系杆,平衡主拱与边跨的不平衡推力，开创了在软土地基建造大跨度拱桥的先例。1993 年竣工的浙江省新安江望江大桥,为3 跨中承式钢管混凝土拱桥,主跨L = 120 m ,主跨拱肋为2 Φ 900 ×(12～16)mm 钢管混凝土组成哑铃形截面,截面高2 m ,Q345钢,内灌C40 混凝土,首次采用钢管变厚度的办法来减小主跨拱脚处的水平推力，并利用边跨来平衡此推力。1996 年建成的长江三峡工程3 座公路拱桥———黄柏河大桥、下牢溪大桥和莲沱大桥, 跨度分别为160 m、160 m 和114 m ,它们是属于多拱肋上承式拱桥,每片拱肋皆采用2 个钢管混凝土组成的哑铃形截面。2000 年建成的广州丫髻沙大桥,主跨达360 m ,是迄今世界上已建成的跨度最大的钢管混凝土中承式拱桥,该桥首次选用6 管式拱肋截面,每肋由6 Φ 750 mm 钢管混凝土组成,由横向平联板、腹杆连接成为钢管混凝土桁架,其中内侧、外侧钢管为Φ 750 ×18 mm ,中间钢管Φ 750 ×20 mm ,钢管间的横向平联板总厚500 mm ,内、中、外3 根钢管通过平联板形成能共同受力的类似肋板式的结构，上下排钢管间通过Φ 450 ×12 mm 及Φ 351 ×10 mm 的腹杆组成稳定的空间结构,沿拱轴采用变高等宽截面。相继建成的还有武汉江汉三桥(主跨280 m) 、广西三岸邕江大桥(主跨270 m) 等多座大跨钢管混凝土拱桥。以上介绍的均属于钢管混凝土拱桥的第1 种类型———钢管内填混凝土。钢管混凝土的第2 种类型———钢管内填外包型。已建成的有四川内江新龙坳大桥、广西邕宁邕江大桥、江西德兴太白桥、四川盐源金河雅砻江大桥、攀枝花倮果金沙江大桥和万县长江大桥等,其中最著名的是重庆万县长江大桥,L= 420 m ,上承式拱桥,采用了10 根钢管组成空间桁架(10 Φ 402 ×16

mm ,Q345 钢材) ,吊装成拱后, 向管内灌C60 混凝土,然后挂模板浇筑混凝土,成为高7 m、宽16. 0 m 的单箱三室箱形截面拱肋,桥面总宽24 m。这是迄今为止全世界跨度最大的以钢管混凝土为劲性骨架的公路拱桥。在建的巫峡长江大桥,是一座主拱净跨达460m 的钢管混凝土中承式拱桥,拱肋拱顶截面高7m ,拱脚截面高14 m ,肋宽4. 14 m ,每肋上下各2 根Φ 1 220 ×22 (25) mm、内填C60 混凝土,钢管混凝土弦杆,下弦杆通过横联钢管Φ 711 ×16 mm 和竖联钢管Φ 610 ×12 mm 连接而构成钢管混凝土桁架。该桥的修建将会再次刷新钢管混凝土拱桥的世界记录,它将是钢管混凝土在拱桥中应用的一个新的里程碑。

在这短短的20 多年时间里,我国建造了近200多座跨度不一的钢管混凝土拱桥,究其原因,从钢管混凝土拱桥自身而言,可归纳为以下几个方面:

(1) 跨度适应能力强。中国幅员辽阔,地形复杂,江河山谷众多,需要建造跨度各异的桥梁。实践证明,钢管混凝土拱桥在100～400 m 以内具有很强的适应性和竞争力;

(2) 承载能力大,施工快捷。钢管混凝土利用内填混凝土增强管壁的稳定性,又利用钢管对核心混凝土的套箍作用,使钢管混凝土的优越性能得到充分发挥,具有很高的抗压强度和抗变形能力,非常适合以偏心受压为主的拱桥。施工时,钢管充当很好的模板,无需额外的脚手架和模板,又起到劲性骨架的作用。另一方面,桥梁基坑开挖、基础与混凝土浇筑、钢管加工、吊杆制作、横梁和桥面板预制可同时进行,模块化程度高,节省了施工工期,与同等跨径的其它体系桥梁相比,可节省工期30 %以上;

(3) 地基适应能力强。钢管混凝土拱桥可根据不同的地质条件和桥位断面,设计成有推力的拱桥(上承式和中承式拱) ,也可设计成无推力的系杆拱桥(下承式或带半跨边孔的飞雁式组合拱) ;

(4) 造型优美。优秀的桥梁建筑,除实用的功能外,还应是一个高雅的建筑艺术品,成为一个城市或地区的标志(象征) ,如举世闻名的美国旧金山大桥、悉尼港的钢拱桥。钢管混凝土拱桥犹如一道靓丽的彩虹横跨

大江两岸,配合恰当的灯光设计,令人赏心悦目; (5) 有较成熟的施工技术作支撑。中国是建造拱桥最多的国家,经过长期的探索,已掌握了成套的施工技术,如无支架缆索吊装法,转体施工法。前者配合千斤顶由高强钢绞线做扣索,具有索力和拱轴线型控制精度高,并且突破了只适用于5 段以内的限制,能用于多节段拱肋吊装;后者的平转和竖转技术也已相当谙熟,已成功地用于多座钢管混凝土拱桥的安装。

(6) 大直径钢管(Φ 1 000 以上) 卷制工厂化。有力地促进了我国钢管混凝土拱桥的发展。

4 钢管混凝土拱桥目前存在的问题

钢管混凝土拱桥的发展迅猛，但其相应的理论研究滞后，具体问题表现在以下几个方面:

① 刚度取值问题。现有的规程对于拱肋的轴压刚度、

弯曲刚度和剪切刚度，没有形成统一的理论计算公式。 ② 初始应力问题。钢管混凝土拱桥采用自架设方法，首先完成拱肋的安装、合龙，然后浇注管内混凝土，在形成钢管混凝土之前，钢管中集聚了初始应力，这种初始应力对钢管混凝土拱桥极限承载力的影响尽管开展了对于单圆管拱和哑铃形拱方面的研究，但对于桁拱的研究还有待今后开展。

③ 计算方法争议问题。钢管混凝土的刚度计算问题是钢管混凝土拱桥内力和变形计算的重要环节，各个规程，无论国内还是国外，其取值均不一样。 ④ 脱空问题。混凝土收缩以及外界温度的变化，将使钢管混凝土拱肋在拱顶出现钢管与混凝土不密贴的现象，工程中常采用压浆或微膨胀混凝土来解决混凝土的收缩，但大部分膨胀剂产生的膨胀是凝固之前，无法抵消混凝土固结后的收缩，以致使套箍力的发挥在工程界存在质疑，对于这个问题目前还缺乏深入的研究。

⑤ 吊杆与系杆的疲劳锈蚀问题。钢管混凝土拱桥使用过程中，吊杆与系杆的腐蚀锈断问题比较严重，虽然对这方面开展了些研究，但检测费用高，需要研究更加低廉的维修方案。

6钢管混凝土的本构关系。由于钢管混凝土力学行○

为的复杂性,迄今尚未建立起比较完善的本构关系,特别是混凝土的本构关系,现有的本构关系虽然包括混凝土的弹性、弹塑性和屈服阶段,但大都以回归公式为主。钢管与混凝土各自的本构关系如何选取,才能使二者的结合最优,缺乏研究。

5 钢管混凝土拱桥的未来发展

钢管混凝土拱桥以跨径适应能力大,施工快捷,外形美观,对地基要求低等一系列优势必将得到进一步的发展,但是在钢管混凝土拱桥这一新型领域还有许多需要进一步探讨的地方。比如大跨度和超大跨度的钢管混凝土拱桥的空间静动力稳定性分析问题,大跨度结构的空间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的自架设施工技术及其施工控制方面的问题。随着这些问题的逐一得到解决，相信钢管混凝土拱桥的跨度将达到650 m，甚至超过1 000 m，计算理论将变得更加完善，更好地服务于生产实践。

参 考 文 献

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路交通技术

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[4] 陈宝春. 钢管混凝土拱桥桥例简介.中外公路

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徐变问题综述. 长沙交通学院学报

《现代钢桥》课程作业

钢管混凝土拱桥的应用和发展

学生姓名：娄阳崇 学 号：u201115405 班 级：道桥1101班

华中科技大学土木工程与力学学院道桥系

2014.11.16