钢管混凝土拱桥浅析
摘要
自1990年在四川旺苍建成了跨度115m的国内第一座钢管混凝土拱桥以来，钢管混凝土拱桥发展迅猛，短短20多年来全国已建成各类钢管混凝土拱桥达300多座，而且特别需要指出的是钢管混凝土拱桥经历了汶川大地震考验，表现出良好的抗震性能。本文就钢管混凝土拱桥的发展、刚架系杆钢管混凝土拱桥设计进行浅析。
关键字钢管混凝土拱桥；抗震性能；发展；设计；浅析
读完陈宝春编著的《钢管混凝土拱桥设计与施工》发现就和书中绪论里所描述的一样，这是一本关于钢管混凝土拱桥设计与施工的专著。课堂上张浩阳老师曾多次提及也花了不少时间向我们介绍了这种新型组合材料，钢管混凝土它作为钢—混凝土组合材料的一种，一方面借助内填混凝土提高钢管壁受压时的稳定性，提高钢管的抗腐蚀性和耐久性，另一方面借助管壁对混凝土的套箍作用，提高了混凝土的抗压强度和延性。将钢材和混凝土有机地组合起来，在施工方面，钢管混凝土可利用空心钢管作为劲性骨架甚至模板，施工吊装重量轻，进度快，施工用钢量省。由于在材料和施工方法上的优越性，它不仅具有自重轻、强度大、抗变形能力强的优点，还较好的解决的了修建梁桥锁需求的用料省、安装重量轻、施工简便、承重能力大的诸多矛盾，是大跨度拱桥的一种比较合理的结构形式。本文本文将根据钢管混凝土拱桥在我国的应用情况，对钢管混凝土拱桥的发展和刚架系杆钢管混凝土拱桥结构的合理设计进行定向分析。
1 钢管混凝土拱桥组合材料的发展概况
钢管在土建工程中应用不久，钢管混凝土结构就得到应用。1879年英国赛文铁路桥桥墩采用了钢管混凝土桥墩，但当时空钢管内灌注混凝土的目的主要是为了防锈。1901年，Sewell.J.S.第一个发表文章报导了方形钢管混凝土柱的应用情况，认为钢管填充混凝土不仅能防锈还能提高其刚度和承载能力。1907年美国的Lally公司首次给出了圆管混凝土柱的安全承载能力公式，此后这种被称为Lally Golumn的圆形钢管混凝土柱在一些单层和多层房屋建筑中得以应用。20世纪初许多学者对这中种结构进行了一系列研究。
前苏联在30年代建成了跨越列宁格勒涅瓦河的101m钢管混凝土拱梁组合体系桥和位于西伯利亚跨径打140m的钢管混凝土桁拱。20世纪60年代前后,钢管混凝土技术在苏联、西欧、北美、日本等国家受到重视,并对其力学性能和设计方法进行大量试验研究和理论分析,取得丰硕成果。近些年来,美国、澳大利亚和日等国的学者,开始研究在钢管中填充高强混凝土形成的钢管高强混凝土构件的工作性能,并在这些工程结构中推广应用。
我国从50年代开始将钢管混凝土应用于桥梁。60年代，钢管混凝土在一些厂房柱和地铁工程中得到应用，80年代后期，泵灌混凝土工艺逐步完善，如泵送混凝土与高位抛落无振捣混凝土等新兴技术的出现，使现场管内浇灌混凝土工艺问题得到了解决，从而掀起了钢管混凝土结构的应用热潮。90年代以来，随着对大跨、高耸、重载结构需求的提高，钢管混凝土结构在高层和超高层建筑中得到了广泛应用，如重庆世界贸易中心、深圳赛格广场大厦等。目前,钢—混凝土组合结构已被列入国家科技成果重点推广项目,为进一步在实际工程中推广应用钢管混凝土结构创造了条件。目前在国内高层建筑和桥梁工程中，大部分的柱都采用了钢管混凝土结构。不仅其具有较好的延性，同时还能减少施工工期，节约使用空间，可以取得较好的经济效益和社会效益。总之,钢管混凝土结构适合我国的国情,解决了我国建筑工程20世纪50年代以来,长期存在而未能解决的胖柱问题,从而提高了建筑水平。可以预期,随着我国国民经济的迅速发展,在现代化建设事业中钢管混凝土结构作为一种新的结构形式，必然有着广阔的发展前景。
2 钢管混凝土的材料特点
按截面形式不同，钢管混凝土构件可分为圆形截面、方形截面、矩形截面和
多边形截面等，目前工程中最常用的三种钢管混凝土截面形式主要是圆形、方形和矩形。现将钢管混凝土构件的主要特点叙述如下:
2.1 构件承载力高
在钢管中填充混凝土形成钢管混凝土后，钢管约束了混凝土，可延缓其受压时的纵向开裂，而混凝土却可以延缓或避免薄壁钢管过早地发生屈服。两种材料相互弥补了各自的弱点，却可充分发挥各自的长处，整个构件的承载力约为钢管和核心混凝土单独承载力之和的1.7～2.0倍。
2.2 塑性和韧性好、抗震性能好
单纯受压的混凝土常属脆性破坏，但管内核心混凝土在钢管的约束下，不但使用阶段工作时提高了弹性性质，扩大了弹性工作阶段，而且破坏时产生很大的塑性变形。此外，这种结构在承受冲击荷载和震动荷载时，也具有很大的韧性。由于钢管混凝土具有良好的塑性和韧性，因而抗震性能好。
2.3 制作和施工方便
与钢结构构件相比，钢管混凝土零部件少、焊缝少，而柱脚构造简单，可直接插入混凝土基础的预留口杯中，免去了复杂的柱脚结构，由于管壁较薄，重量小，大大减轻交通运输和吊装的工作，同时也减轻了现场焊接的工作量和施焊难度。与钢筋混凝土柱相比，免除了支模、绑扎钢筋和拆模等工序，混凝土的浇筑更为简单且不用担心浇筑时发生漏浆现象。
2.4 耐火性能好
由于管内存在混凝土，能吸收钢管传来的热量，从而使钢管升温滞后，故耐火极限高于钢结构，为抗火而增加的保护材料用量也比钢柱省。火灾后构件的滞回曲线较为饱满，没有明显的扭缩现象，具有较好的抗震性能，说明钢管混凝土具有良好的火灾后抗震修复能力。
2.5 经济效益显著
与钢结构柱子相比，可节约钢材50%左右，所用钢材不但价格较低，而且材质要求低，焊接简单，可大幅降低造价，大大提高经济效益。而且因管内有混凝土，防锈面积也可减少一半，其防锈费用低于钢结构；防火性能的提高，使防火保护材料用量减少，降低了防火费用，综合节省了成本。与钢筋混凝土柱相比，
不需要模板，节约混凝土50%以上，耗钢量和造价略高或相等。
2.6 布局美观
钢管混凝土承载能力高，其界面可大幅缩小，解决了长期存在的“胖柱”问题，使建筑物室内空间更大，布局更加美观合理，从而提高了建筑新技术创新水平。
3 刚架系杆钢管混凝土拱桥设计
刚架系杆拱是在钢管混凝土拱桥中出现的拱桥新的结构形式。我国建成的第一座钢管混凝土拱桥——四川旺苍东河大桥采用的就是刚架系杆拱。与拱梁组合体系不同，刚架系杆拱中拱肋与桥墩团结，不设支座，采用预应力钢绞线作为拉杆来平衡换的推力，拉杆独立于桥面系之外，不参与桥面系受力，而桥面系为局部受力构件。这种结构由于拱和墩连接处为刚结点，属刚架结构，又带有系杆，故称之为刚架系杆拱。刚架系杆拱为超静定结构，桥梁上部、下部以及基础甚至地基连成一体，结构的超静定次数较多，受力复杂。由于其系杆刚度与拱梁组合体系中的系杆梁刚度相比小很多，特别对于大跨径桥梁，系杆拉力增量将产生很大的变形，而拱肋、系杆和墩柱团结在一起，根据位移交形协调条件，拱的水平推力的增量主要由桥墩和拱肋自身承受，因而考虑系杆变形后它是有推力的结构。系杆的作用是对拱施加预应力以抵消拱的大部分水平推力，因此通常把系杆看成预应力体外索。除去系杆承受的水平推力后余下的拱的水平推力一般来说不大，还可以通过适当的超张拉给予最大限度的减小，从这个角度可以看成无推力拱。刚架系杆拱由于系杆的存在，降低了对下部结构和基础的要求，使拱桥的应用范围从山区扩大到了平原和城市。
3.1 肋拱桥横向结构
3.1.1横撑布置
横撑布置对结构横向稳定的影响要大于其自身刚度。研究表明，拱顶附近揭撑布置成与拱轴线正交、在其他地方与拱轴线相切，对提高横同稳定效果较好。这是因为，拱肋横向先稳向面外恻倾时，拱顶处的债撑主要承受洪助的扭转变形，采用竖向布置的横撑增强了对拱肋在拱顶处的扭转变形的约束，能提高拱的面外稳定性。在其他地方，尤其是L／4附近拱肋侧倾时根撑要承受拱肋的相对错动，
