摘要:鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的理論研究和工程應(yīng)用在我國越來越深入和廣泛, 這種結(jié)構(gòu)應(yīng)  用到拱橋上, 在力學(xué)性能、施工、經(jīng)濟以及美觀等方面, 表現(xiàn)出很大程度的優(yōu)越性, 極大促進了拱橋的發(fā)展。  關(guān)鍵詞鋼管混凝土 拱橋  力學(xué)性能  鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究和在土木工程中的應(yīng)用已經(jīng)有100 多年的歷史, 但在近十年來才應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)上, 在我國主要應(yīng)用于拱橋。從1990 年我國第一座大跨度鋼管混凝土拱橋四川旺蒼大橋建成至今, 已建和在建的鋼管混凝土拱橋已經(jīng)超過100 多座, 其中最大跨度達到400m。理論研究和工程應(yīng)用表明, 鋼管混凝土拱橋在設(shè)計、施工、經(jīng)濟以及美觀上都有其獨特的優(yōu)越性。專家預(yù)言, 鋼管混凝土拱橋的跨度將會達到甚至超過斜拉橋。 1 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)計算理論  目前就鋼管混凝土的研究取得重大的成果, 形成了多種理論, 一批有代表性的著作相繼出版, 并在這些理論基礎(chǔ)上制定了相應(yīng)的規(guī)程5􀏀6􀏀7。而鐘善桐教授等人在大量試驗和有限元計算的基礎(chǔ)上提出的統(tǒng)一理論較好的反映出鋼管混凝土組合材料的工作狀況。統(tǒng)一理論認為: 鋼管混凝土為統(tǒng)一的一種組合材料, 用構(gòu)件的整體幾何特性( 全截面面積和抵抗矩等) 和鋼管混凝土的組合力學(xué)性能指標來計算構(gòu)件的各項承載力, 不再區(qū)分鋼管和混凝土。眾所周知, 構(gòu)件的工作性能, 除與受力狀況有關(guān)外, 還隨著材料的物理參數(shù)、構(gòu)件的幾何參數(shù)和截面形式,以及構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)的改變而改變, 且變化是連續(xù)的、相關(guān)的, 這樣就可得到鋼管混凝土構(gòu)件從單項受力狀態(tài)到多項復(fù)雜受力狀態(tài)用統(tǒng)一的計算參數(shù)和公式來表達。在此理論上提出了鋼管混凝土構(gòu)件各種力學(xué)參數(shù)的計算公式, 并制定了相應(yīng)的規(guī)范, 方便了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計; 在動力性能方面, 建立循環(huán)荷載作用下鋼管混凝土組合材料的本構(gòu)關(guān)系, 提出了簡化的兩折線模型和三折線模型, 如圖1( 圖中符號見參考文獻2  , 虛線為實際的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線) 。 2 鋼管混凝土構(gòu)件的材料特點  鋼管混凝土組合材料是鋼管內(nèi)填混凝土, 在一般正常工作狀態(tài)下, 兩種不同力學(xué)性能的材料產(chǎn)生相互增強的作用力, 即緊箍力, 來協(xié)調(diào)工作。鋼材在彈性工作階段, 泊松比s 變化很小, 在0. 25~ 0. 3之間, 可認為是常數(shù), 取s= 0. 283; 而混凝土的泊松比c 受力過程中是不斷變化的, 由低應(yīng)力狀態(tài)下的0. 167 左右逐漸增大到0. 5, 當接近破壞階段時,由于混凝土內(nèi)部縱向微裂縫的發(fā)展, c 將超過0. 5.對于鋼管混凝土而言, 在軸壓力的作用下, c 逐漸增大, 并且迅速地超過鋼材的泊松比s。當s= c  時, 鋼管和混凝土的徑向變形一致, 相互間沒有任何作用力; 當s< c, 鋼管限制了混凝土的徑向變形,根據(jù)變形協(xié)調(diào)關(guān)系, 相互間產(chǎn)生緊箍力; 而s> c  時, 相互間是粘結(jié)力。混凝土在三向壓應(yīng)力作用下,其工作性能發(fā)生了質(zhì)的變化, 不但提高了承載力, 還增大了極限壓縮應(yīng)變; 在軸心壓力作用下, 薄壁鋼管的承載力是極不穩(wěn)定的, 實驗證明, 實際承載力往往是理論計算值的13~15, 當在管內(nèi)澆筑混凝土, 并達到一定強度后, 鋼管保護了混凝土, 約束其徑向變形, 使它處于三向受力狀態(tài), 延緩了受壓時的縱向開裂, 而混凝土又保證了薄壁鋼管的局部穩(wěn)定, 從而提高了鋼管混凝土構(gòu)件的承載力。因此, 鋼管混凝土作為一種組合材料具有獨特的工作特性: 彈性工作而塑性破壞, 承載力高而極

　　限壓縮變形大。其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系接近于鋼材的性能。同時, 核心混凝土在鋼管的約束下, 改善了其彈性性質(zhì), 破壞時產(chǎn)生很大的變形。試驗表明, 鋼管混凝土柱破壞時可以壓縮到原長的2/ 3, 整個構(gòu)件呈現(xiàn)塑性破壞的特征, 所以這種構(gòu)件在承受沖擊和振動荷載時, 具有很好的變形能力和變形后的恢復(fù)能力, 由這種構(gòu)件組成的結(jié)構(gòu)體系就具有較好的動力性能, 在地震荷載和風(fēng)荷載作用下, 表現(xiàn)良好的穩(wěn)定性。再者, 鋼管混凝土有利于采用高強度材料, 近年來高強混凝土的應(yīng)用越來越廣泛, 但是, 混凝土強度越高, 其脆性破壞越嚴重, 這就限制了高強混凝土的應(yīng)用, 只有在三向受力狀態(tài)下, 才能防止混凝土的脆性爆裂, 而鋼管混凝土就有這樣的優(yōu)點。  3 鋼管混凝土應(yīng)用于拱結(jié)構(gòu)的優(yōu)點  拱橋的拱肋是以受壓為主的構(gòu)件, 其穩(wěn)定性問題較為突出; 在大跨度橋梁中, 一般采用高強度材料, 而橋梁跨度的增加, 就要求提高其抗振能力, 從而要求結(jié)構(gòu)具有較好的延性和恢復(fù)性能。鋼管混凝土組合材料用于拱橋中能很好滿足以上問題。不僅如此, 鋼管混凝土拱橋可以大大減小橋梁的自重, 還可以很大程度上改善大跨度拱橋中抗風(fēng)能力和抗震能力。大跨度拱橋的側(cè)向剛度一般較小, 在風(fēng)荷載作用下, 產(chǎn)生較大的側(cè)向變形, 影響橋梁的運營, 甚至導(dǎo)致破壞。構(gòu)件所受風(fēng)荷載的大小與拱橋所在地區(qū)的基本風(fēng)壓、構(gòu)件的風(fēng)載體型系數(shù)、構(gòu)件的阻風(fēng)外部尺寸等因素有關(guān)。大跨度鋼筋混凝土拱橋雖然可以采用空心拱肋構(gòu)件, 但其截面的外形尺寸較大, 阻風(fēng)面積大, 從而所受風(fēng)荷載大, 其側(cè)向穩(wěn)定性差; 而用鋼管混凝土材料, 拱肋可以根據(jù)需要做成合理型式的格構(gòu)式曲桁架結(jié)構(gòu), 同時獲得所必須的結(jié)構(gòu)剛度, 在保證構(gòu)件的整體穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上, 使拱肋結(jié)構(gòu)通透, 阻風(fēng)面積小, 所受風(fēng)荷載減小, 從而改善其橫向穩(wěn)定性能。計算機和有限元方法在橋梁結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用和發(fā)展, 使高度復(fù)雜結(jié)構(gòu)和其在復(fù)雜的荷載作用下的力學(xué)性能的計算成為可能, 并可以獲得較高的精度, 從而對鋼管混凝土拱肋格構(gòu)結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)性能得到可靠的計算和分析, 保證設(shè)計的安全性和經(jīng)濟性。地震分析表明, 拱肋截面的變小, 將減小地震作用下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)和結(jié)構(gòu)內(nèi)力, 這給設(shè)計帶來經(jīng)濟效益。表1 為部分鋼管混凝土拱橋的動力性能參數(shù)表。從表中數(shù)據(jù)可以知道, 鋼管混凝土拱橋有如下幾點特征: ( 1) 除依蘭牡丹江大橋外, 拱橋面內(nèi)振動的自振 基頻較面外大, 但很接近。表明結(jié)構(gòu)的面外的剛度已接近面內(nèi)的剛度, 從而反映其在橫向有足夠的安全度。對于無風(fēng)撐的拱橋( 如依蘭牡丹江大橋) , 雖然面外基頻較小, 但分析表明, 橫向剛度還是滿足要求, 在動荷載作用下, 橫向發(fā)生較大變形, 但產(chǎn)生的應(yīng)變和應(yīng)力小。 ( 2) 拱橋的面內(nèi)基頻在0. 655~ 1. 602Hz 之間,換算自振周期為1. 527~ 0. 625s, 超過一般單孔剛性結(jié)構(gòu)的0. 3~ 0. 4s 的自振周期, 說明鋼管混凝土拱橋?qū)儆谳^柔性的結(jié)構(gòu), 當跨度加大時, 構(gòu)造上要采取相應(yīng)的措施, 同時在動力分析中要考慮高階振型的影響。 ( 3) 人體對振動比較敏感的頻率范圍是2~6Hz, 而表1 中的數(shù)據(jù)均不在此范圍之內(nèi)。人體在橋上時, 一般不會感到明顯的振動, 從而可以保證橋梁運營時的舒適度。 4 鋼管混凝土拱橋的施工特點  大跨度鋼管混凝土拱橋的優(yōu)越性還表現(xiàn)在施工上。阻礙橋梁向大跨度方向發(fā)展的一個最主要的難題就是大跨度橋梁的施工問題。這種困難主要來源于兩個方面: 施工控制和施工工藝, 施工控制隨著施工工藝的不同而不同, 而施工控制又保證施工工藝的順利進行。由于大跨度橋梁在施工過程中, 結(jié)構(gòu)的受力體系是不斷轉(zhuǎn)換的, 在施工中將產(chǎn)生內(nèi)力和變形, 并且這些內(nèi)力和變形是不斷變化的, 在施工中控制體系的內(nèi)力和變形是個復(fù)雜的施工力學(xué)問題;而構(gòu)件的吊裝或澆筑, 由于大跨度橋梁作業(yè)量大, 作業(yè)范圍廣, 因此要求較先進的施工工藝。拱橋的各種施工方法均適用于鋼管混凝土拱橋, 如有支架施工法、纜索吊裝法、平( 豎) 轉(zhuǎn)體施工法, 而對大跨特大跨徑鋼管混凝土拱橋, 特別適合采用自架設(shè)施工方法。所謂自架設(shè)

　　施工方法, 就是在施工中把橋梁上部結(jié)構(gòu)分成若干組成部分, 按多個施工階段拼裝或澆筑起來, 而先完成的結(jié)構(gòu)部分為下一施工階段的運輸和架設(shè)提供支撐體系, 直到全橋的完成。自架設(shè)體系可以大大減少施工設(shè)備和臨時設(shè)施的費用, 縮短施工工期, 因此無論是從施工的可能性還是經(jīng)濟合理性來說, 大跨度橋梁的施工一般采用自架設(shè)方法。鋼管混凝土拱橋有兩大類, 一種是鋼管外露的, 鋼管以參與結(jié)構(gòu)受力為主, 同時也是施工過程中的支架和澆筑管肉混凝土的模板, 成橋過程先合攏鋼管骨架, 再澆筑管內(nèi)混凝土形成主拱圈; 另一種鋼管以施工受力為主, 當然也參與成橋的受力, 成橋過程是先合龍鋼管骨架, 然后澆筑管內(nèi)混凝土形成鋼管混凝土勁性骨架, 再將鋼管混凝土勁性骨架作為埋置式拱架澆筑外包混凝土, 形成主拱圈。在整個施工過程中, 除了在鋼管的吊裝階段, 結(jié)構(gòu)的受力體系一直是不變的, 而在鋼管吊裝中, 由于鋼管自重輕, 強度和剛度大, 因此可以較好的進行施工控制。 5 鋼管混凝土拱橋造型藝術(shù)  鋼管混凝土拱橋不僅在力學(xué)上有其優(yōu)越性, 在拱橋的設(shè)計造型上也有無可比擬的優(yōu)點。長期以來, 特別是在我國, 由于經(jīng)濟上的原因, 橋梁設(shè)計往往只是考慮功能上的要求, 而不考慮橋梁美學(xué)這個問題。拱橋是個極富美感的橋型, 在我國有著悠久的歷史, 有很強的民族特色, 如我國的趙州橋和盧溝橋等。但傳統(tǒng)的石拱橋和鋼筋混凝土拱橋在大跨度拱橋中無法體現(xiàn)拱橋的美感, 這種大跨度拱橋的側(cè)向剛度一般較小, 橫向穩(wěn)定性差, 為了彌補這方面的缺點, 只有把拱肋構(gòu)件的截面做大, 而這樣使拱橋顯得笨重。橋梁美涉及的內(nèi)容很多, 包括使用功能、結(jié)構(gòu)合理、環(huán)境協(xié)調(diào)以及外形美觀等, 鋼管混凝土拱橋( 特別是中、下承式拱橋上) 在橋梁美學(xué)上可以表現(xiàn)在以下方面: ( 1) 鋼管混凝土拱橋的主要受力構(gòu)件是拱肋, 而弧形的拱肋線條簡潔流暢, 優(yōu)美纖細, 使整個橋梁顯得輕盈、簡潔; 吊桿( 上承式除外) 的重復(fù)布置, 多肢拱肋的各種弦桿, 使橋梁具有動感變化的韻律和節(jié)奏; 大跨度的拱肋不僅有跨度, 還有高度, 極富有力度, 使橋梁顯示一種生機勃勃的氣質(zhì)和雄偉壯觀的氣勢, 從而使橋梁充滿生命感、充實感和穩(wěn)定感。 ( 2) 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的材料強度高, 穩(wěn)定性好,因此, 在拱橋造型上以及拱肋的布置上可以追求多樣化。首先, 在拱肋截面布置上, 可以做成啞鈴形、三角形、四邊形等; 其次, 在拱肋數(shù)量上, 可以是單肋拱、雙肋拱、三肋拱等; 在拱肋布置上, 可以是平行橋面布置, 也可以與橋面斜交布置, 也可以兩拱肋在拱頂連接布置等等。這樣, 可以根據(jù)功能和環(huán)境的不同采用不同的橋型和拱肋布置, 使拱橋在滿足功能的要求上, 與拱橋所處環(huán)境相協(xié)調(diào), 從而使拱橋更具美感。 6 結(jié)語  對鋼管混凝土的研究, 雖然在我國起步較晚, 但發(fā)展迅速, 制定了多種應(yīng)用規(guī)范, 已處于世界領(lǐng)先地位, 這種堅實的理論基礎(chǔ)和豐富的工程實踐經(jīng)驗將為鋼管混凝土拱橋的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)用于拱橋, 使拱橋的發(fā)展充滿了活力。在我國鋼管混凝土拱橋建設(shè)中, 無論是數(shù)量和跨度、結(jié)構(gòu)和類型、施工技術(shù)等均世界領(lǐng)先水平。但是在鋼管混凝土拱橋這一新型領(lǐng)域還有很多需要進一步探討的地方, 如大跨度和超大跨度鋼管混凝土拱橋的空間靜動力穩(wěn)定性分析問題, 大跨結(jié)構(gòu)空非線性變形的理論分析方法, 大跨度和超大跨度鋼管混凝土拱橋自架施工技術(shù)及其施工控制等問題。

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