组合结构设计

钢管混凝土拱桥应用及其未来发展

摘要：钢管混凝土拱桥具有承载能力强、施工方便、桥型优美、经济效益显著等特点，因此在大跨桥梁和

城市桥梁中得到了广泛的应用。本文介绍了钢管混凝土拱桥的理论研究现状及应用，对其发展优势及发展

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：钢管混凝土钢管混凝土拱桥应用现状发展Applicationofsteeltubeconcretearchbridgeanditsfuturedevelopment

Abstract:Concretefilledsteeltubulararchbridgeiscarryingcapacity,convenientconstruction,concinnity,

economicbenefitssignificantcharacteristics,sointhelargespanbridgeandurbanbridgehasbeenwidelyused.

Thispaperintroducesthecurrentsituationandapplicationofthetheoreticalresearchontheconcretefilledsteel

tubearchbridge,analyzesthedevelopmentadvantagesandproblemsinthedevelopment,andfinallylooks

forwardtothedevelopmenttrendofthesteeltubeconcretearchbridge.

Keywords:concretefilledsteeltubulararchbridgedevelopmentpresentsituation

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。这

种材料具有承载力高、塑性韧性好、施工方便、耐火性能和经济效果好等优点，工程上常应

用于房屋建筑结构和桥梁结构中，其中在桥梁上主要应用于拱桥。钢拱桥结构中，拱座是上

部钢结构与下部混凝土承台和基础的连接节点，又是主桥上部结构安装的起点，关系到整个

结构的安全和可靠性。2.钢管混凝土的工作特性

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μ

s=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

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。3.钢管混凝土的计算理论

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。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。4钢管混凝土的应用与发展

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

核心混凝土浇筑过程中的末班和支架，方便了施工，更重要的是其增大了跨越能力，各个时

期典型的代表桥如表1所示：

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助安装问题，首先架设

自重轻，强度、刚度均较大的钢管骨架，然后在空钢管内浇筑混凝土，再在钢管混凝土骨架

外挂模板浇筑外包混凝土，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。各个时期典型的代表桥型见

表2所示。

5钢管混凝土拱桥的发展优势

5.1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。

5.2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。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。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:

6.1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。

6.2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。

6.3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。

6.4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。

6.5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。

6.6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7结语

钢管混凝土在大跨度拱桥中的应用和兴起是设计和施工在现代科学技术的推动下向前发

展的必然，也是拱桥结构在增大跨越能力和降低技术经济指标的前提下，向拱上建筑轻型化

和拱圈材料高强化迈进的一个新途径。不过，虽然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。在我国钢管混凝土拱桥建设中，无论是数

量和跨度、结构和类型还是施工技术均处于世界领先水平。钢管混凝土对于拱桥的应用，是