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　　摘要:鋼管混凝土結構的理論研究和工程應用在我國越來越深入和廣泛, 這種結構應  用到拱橋上, 在力學性能、施工、經濟以及美觀等方面, 表現出很大程度的優越性, 極大促進了拱橋的發展。  關鍵詞鋼管混凝土 拱橋  力學性能  鋼管混凝土結構的研究和在土木工程中的應用已經有100 多年的歷史, 但在近十年來才應用于橋梁結構上, 在我國主要應用于拱橋。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超過100 多座, 其中最大跨度達到400m。理論研究和工程應用表明, 鋼管混凝土拱橋在設計、施工、經濟以及美觀上都有其獨特的優越性。專家預言, 鋼管混凝土拱橋的跨度將會達到甚至超過斜拉橋。 1 鋼管混凝土結構計算理論  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, 并在這些理論基礎上制定了相應的規程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上提出的統一理論較好的反映出鋼管混凝土組合材料的工作狀況。統一理論認為: 鋼管混凝土為統一的一種組合材料, 用構件的整體幾何特性( 全截面面積和抵抗矩等) 和鋼管混凝土的組合力學性能指標來計算構件的各項承載力, 不再區分鋼管和混凝土。眾所周知, 構件的工作性能, 除與受力狀況有關外, 還隨著材料的物理參數、構件的幾何參數和截面形式,以及構件的應力狀態的改變而改變, 且變化是連續的、相關的, 這樣就可得到鋼管混凝土構件從單項受力狀態到多項復雜受力狀態用統一的計算參數和公式來表達。在此理論上提出了鋼管混凝土構件各種力學參數的計算公式, 并制定了相應的規范, 方便了鋼管混凝土結構的設計; 在動力性能方面, 建立循環荷載作用下鋼管混凝土組合材料的本構關系, 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  , 虛線為實際的應力應變關系曲線) 。 2 鋼管混凝土構件的材料特點  鋼管混凝土組合材料是鋼管內填混凝土, 在一般正常工作狀態下, 兩種不同力學性能的材料產生相互增強的作用力, 即緊箍力, 來協調工作。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, 取s= 0. 283; 而混凝土的泊松比c 受力過程中是不斷變化的, 由低應力狀態下的0. 167 左右逐漸增大到0. 5, 當接近破壞階段時,由于混凝土內部縱向微裂縫的發展, 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,根據變形協調關系, 相互間產生緊箍力; 而s> c  時, 相互間是粘結力。混凝土在三向壓應力作用下,其工作性能發生了質的變化, 不但提高了承載力, 還增大了極限壓縮應變; 在軸心壓力作用下, 薄壁鋼管的承載力是極不穩定的, 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, 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定, 從而提高了鋼管混凝土構件的承載力。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。其應力應變關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, 破壞時產生很大的變形。試驗表明, 鋼管混凝土柱破壞時可以壓縮到原長的2/ 3, 整個構件呈現塑性破壞的特征, 所以這種構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能力, 由這種構件組成的結構體系就具有較好的動力性能, 在地震荷載和風荷載作用下, 表現良好的穩定性。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用, 只有在三向受力狀態下, 才能防止混凝土的脆性爆裂, 而鋼管混凝土就有這樣的優點。  3 鋼管混凝土應用于拱結構的優點  拱橋的拱肋是以受壓為主的構件, 其穩定性問題較為突出; 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, 從而要求結構具有較好的延性和恢復性能。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能力和抗震能力。大跨度拱橋的側向剛度一般較小, 在風荷載作用下, 產生較大的側向變形, 影響橋梁的運營, 甚至導致破壞。構件所受風荷載的大小與拱橋所在地區的基本風壓、構件的風載體型系數、構件的阻風外部尺寸等因素有關。大跨度鋼筋混凝土拱橋雖然可以采用空心拱肋構件, 但其截面的外形尺寸較大, 阻風面積大, 從而所受風荷載大, 其側向穩定性差; 而用鋼管混凝土材料, 拱肋可以根據需要做成合理型式的格構式曲桁架結構, 同時獲得所必須的結構剛度, 在保證構件的整體穩定性的基礎上, 使拱肋結構通透, 阻風面積小, 所受風荷載減小, 從而改善其橫向穩定性能。計算機和有限元方法在橋梁結構分析中的應用和發展, 使高度復雜結構和其在復雜的荷載作用下的力學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結構的整體力學性能得到可靠的計算和分析, 保證設計的安全性和經濟性。地震分析表明, 拱肋截面的變小, 將減小地震作用下結構的地震反應和結構內力, 這給設計帶來經濟效益。表1 為部分鋼管混凝土拱橋的動力性能參數表。從表中數據可以知道, 鋼管混凝土拱橋有如下幾點特征: ( 1) 除依蘭牡丹江大橋外, 拱橋面內振動的自振 基頻較面外大, 但很接近。表明結構的面外的剛度已接近面內的剛度, 從而反映其在橫向有足夠的安全度。對于無風撐的拱橋( 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, 橫向發生較大變形, 但產生的應變和應力小。 ( 2) 拱橋的面內基頻在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構的0. 3~ 0. 4s 的自振周期, 說明鋼管混凝土拱橋屬于較柔性的結構, 當跨度加大時, 構造上要采取相應的措施, 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 中的數據均不在此范圍之內。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越性還表現在施工上。阻礙橋梁向大跨度方向發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, 結構的受力體系是不斷轉換的, 在施工中將產生內力和變形, 并且這些內力和變形是不斷變化的, 在施工中控制體系的內力和變形是個復雜的施工力學問題;而構件的吊裝或澆筑, 由于大跨度橋梁作業量大, 作業范圍廣, 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施工方法。所謂自架設

　　施工方法, 就是在施工中把橋梁上部結構分成若干組成部分, 按多個施工階段拼裝或澆筑起來, 而先完成的結構部分為下一施工階段的運輸和架設提供支撐體系, 直到全橋的完成。自架設體系可以大大減少施工設備和臨時設施的費用, 縮短施工工期, 因此無論是從施工的可能性還是經濟合理性來說, 大跨度橋梁的施工一般采用自架設方法。鋼管混凝土拱橋有兩大類, 一種是鋼管外露的, 鋼管以參與結構受力為主, 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, 結構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  鋼管混凝土拱橋不僅在力學上有其優越性, 在拱橋的設計造型上也有無可比擬的優點。長期以來, 特別是在我國, 由于經濟上的原因, 橋梁設計往往只是考慮功能上的要求, 而不考慮橋梁美學這個問題。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。但傳統的石拱橋和鋼筋混凝土拱橋在大跨度拱橋中無法體現拱橋的美感, 這種大跨度拱橋的側向剛度一般較小, 橫向穩定性差, 為了彌補這方面的缺點, 只有把拱肋構件的截面做大, 而這樣使拱橋顯得笨重。橋梁美涉及的內容很多, 包括使用功能、結構合理、環境協調以及外形美觀等, 鋼管混凝土拱橋( 特別是中、下承式拱橋上) 在橋梁美學上可以表現在以下方面: ( 1) 鋼管混凝土拱橋的主要受力構件是拱肋, 而弧形的拱肋線條簡潔流暢, 優美纖細, 使整個橋梁顯得輕盈、簡潔; 吊桿( 上承式除外) 的重復布置, 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和雄偉壯觀的氣勢, 從而使橋梁充滿生命感、充實感和穩定感。 ( 2) 鋼管混凝土結構的材料強度高, 穩定性好,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, 可以根據功能和環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, 與拱橋所處環境相協調, 從而使拱橋更具美感。 6 結語  對鋼管混凝土的研究, 雖然在我國起步較晚, 但發展迅速, 制定了多種應用規范, 已處于世界領先地位, 這種堅實的理論基礎和豐富的工程實踐經驗將為鋼管混凝土拱橋的發展奠定了基礎。鋼管混凝土結構用于拱橋, 使拱橋的發展充滿了活力。在我國鋼管混凝土拱橋建設中, 無論是數量和跨度、結構和類型、施工技術等均世界領先水平。但是在鋼管混凝土拱橋這一新型領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定性分析問題, 大跨結構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及其施工控制等問題。

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