淺談鋼管-鋼管混凝土復(fù)合拱橋的性能

李 靜

（太原理工大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，山西 太原 030024）

1 概述

拱橋作為橋梁工程的基本結(jié)構(gòu)體系之一，具有悠久的使用歷史，古今中外著名的拱橋遍布世界各地，在橋梁建筑中占有重要地位。在橋梁發(fā)展的漫長(zhǎng)歲月里，拱橋也經(jīng)歷了數(shù)千年的風(fēng)雨洗禮但卻依舊保持著自身的光彩。與此同時(shí)，橋梁的建造材料也逐漸豐富起來，新型建造材料在拱橋上的應(yīng)用和大跨空間結(jié)構(gòu)的興起賦予了拱橋更廣闊的發(fā)展空間，因此，在橋梁結(jié)構(gòu)形式異常豐富的今天，拱橋這種古老的橋梁形式依舊受到橋梁建造者的青睞。

2 鋼管-鋼管混凝土復(fù)合拱橋的提出

橋梁結(jié)構(gòu)總是伴隨著新型結(jié)構(gòu)形式和新材料的產(chǎn)生而不斷發(fā)展進(jìn)步的。按照主拱結(jié)構(gòu)的主要建造材料，拱橋可以分為石拱橋、鋼拱橋、混凝土拱橋和鋼管混凝土拱橋[1]。隨著橋梁結(jié)構(gòu)的發(fā)展對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)提出了更高的性能要求，鋼管結(jié)構(gòu)橋梁由于良好的性能得到了不斷改進(jìn)，從空鋼管結(jié)構(gòu)到鋼管混凝土結(jié)構(gòu)都是橋梁結(jié)構(gòu)的主要形式之一。

空鋼管拱橋和鋼管混凝土拱橋有著各自的特性，但是也對(duì)于空鋼管拱橋來說，結(jié)構(gòu)自重輕、水平推力相對(duì)較小、結(jié)構(gòu)表現(xiàn)力豐富、跨越能力大、施工簡(jiǎn)單，但是穩(wěn)定性不好，尤其是橫向穩(wěn)定性更是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)最難解決的問題，除此之外與鋼管混凝土拱橋相比其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度相對(duì)較低；鋼管混凝土拱橋由于管內(nèi)混凝土的填充作用增大了構(gòu)件的剛度，同時(shí)可以相對(duì)地減小結(jié)構(gòu)的用鋼量，尤其適宜面內(nèi)受力承載可以充分發(fā)揮鋼管混凝土良好的抗壓性能，然而當(dāng)結(jié)構(gòu)承受橫向力時(shí)，拱肋改變了以往以受壓為主狀態(tài)，不僅不能發(fā)揮結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度大的優(yōu)點(diǎn)，而且管內(nèi)混凝土的質(zhì)量還加大了拱的橫向受力，對(duì)拱的橫向穩(wěn)定和橫向抗震性能產(chǎn)生了不同程度的不利影響[2]，結(jié)構(gòu)的跨徑越大，橫向穩(wěn)定問題就越突出，此外目前不管是在理論基礎(chǔ)還是施工工藝上都尚未有很好的方法解決，由于管內(nèi)混凝土特別是拱頂端混凝土收縮引起的不密實(shí)問題。基于以上原因以及在國外有關(guān)復(fù)合拱橋建造實(shí)踐的啟發(fā)并吸收借鑒了國外鋼管拱的修建經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，福州大學(xué)陳寶春教授在對(duì)鋼管混凝土拱橋的應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究工作后提出了一種新型的結(jié)構(gòu)-鋼管-鋼管混凝土復(fù)合拱橋結(jié)構(gòu)。我國第一座采用鋼管與鋼管混凝土復(fù)合拱橋概念設(shè)計(jì)的試驗(yàn)橋是福鼎市山前大橋。

3 鋼管-鋼管混凝土復(fù)合拱橋的靜、動(dòng)力性能[3，4，5]

鋼管與鋼管混凝土復(fù)合拱橋?yàn)榱嗽跍p小結(jié)構(gòu)自重的基礎(chǔ)上提高拱肋的橫向穩(wěn)定性，同時(shí)避開了拱頂段管內(nèi)混凝土不密實(shí)的所帶來的問題，僅在拱肋的拱腳段充填混凝土，其余部分仍為空鋼管,不僅降低了結(jié)構(gòu)的重心，而且減小了橫向地震作用力。對(duì)于鋼管-鋼管混凝土復(fù)合拱橋結(jié)構(gòu)來說，混凝土填充長(zhǎng)度對(duì)結(jié)構(gòu)的靜力及動(dòng)力性能都有著明顯的影響。

福州大學(xué)韋建剛等應(yīng)用經(jīng)實(shí)橋測(cè)試驗(yàn)證的有限元模型，以管內(nèi)混凝土填充長(zhǎng)度系數(shù)α為參數(shù)，對(duì)鋼管-鋼管混凝土復(fù)合拱的性能進(jìn)行了分析結(jié)果表明：從結(jié)構(gòu)的極限承載力來看，結(jié)構(gòu)的極限承載力受到管內(nèi)混凝土填充長(zhǎng)度系數(shù)α的影響較小，但是拱腳處截面的受力則會(huì)受到較為明顯的影響，且α＞1/6時(shí)可以有效地減小拱腳處彎矩，特別是當(dāng)α=1/4時(shí)能較好地改善結(jié)構(gòu)截面在橫向地震作用下的受力性能，有效地減小截面的軸力和彎矩水平。從結(jié)構(gòu)的變形角度來看，結(jié)構(gòu)的撓度值對(duì)管內(nèi)混凝土填充長(zhǎng)度的變化反應(yīng)明顯，當(dāng)α=1/4時(shí)最經(jīng)濟(jì)合理。從彈性穩(wěn)定方面來看，管內(nèi)混凝土填充長(zhǎng)度的變化雖然對(duì)結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)模態(tài)不會(huì)帶來改變，但是卻會(huì)影響結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的穩(wěn)定系數(shù)，當(dāng)α=1/4時(shí)穩(wěn)定系數(shù)較大，彈性穩(wěn)定性能最好，當(dāng)α＞1/4反而會(huì)降低拱的穩(wěn)定性能。綜合考慮以上有關(guān)管內(nèi)混凝土填充長(zhǎng)度系數(shù)α對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力與應(yīng)力、極限承載力、撓度和彈性穩(wěn)定等方面的分析結(jié)果可以看出，鋼管—鋼管混凝土復(fù)合拱肋管內(nèi)混凝土以填充至L/4處時(shí)較為合適，此時(shí)結(jié)構(gòu)的靜力性能最好。

福州大學(xué)孫潮等以山前大橋?yàn)槔?，分析拱腳段鋼管混凝土的長(zhǎng)度、截面參數(shù)和風(fēng)撐對(duì)其動(dòng)力特性的影響，結(jié)果表明，管內(nèi)混凝土填充長(zhǎng)度系數(shù)α對(duì)其動(dòng)力性能有一定影響，尤其證明了當(dāng)管內(nèi)混凝土長(zhǎng)度系數(shù)α=1/4比鋼管混凝土拱橋的動(dòng)力性能要好，這是因?yàn)殇摴芑炷凉皹蚪Y(jié)構(gòu)相對(duì)于當(dāng)管內(nèi)混凝土長(zhǎng)度系數(shù)α=1/4時(shí)拱肋重心大大提高。所以，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)在拱肋能夠滿足面內(nèi)承載力的強(qiáng)度要求的情況下不必過分增加管內(nèi)混凝土填充長(zhǎng)度；通過對(duì)比不同風(fēng)撐形式下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能得到風(fēng)撐對(duì)于復(fù)合拱結(jié)構(gòu)的動(dòng)力影響并不顯著，對(duì)結(jié)構(gòu)的高階自振特性有一定的影響，而對(duì)低階自振頻率無太大的影響；對(duì)比管徑各項(xiàng)參數(shù)的影響發(fā)現(xiàn)，與增加壁厚相比結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能對(duì)于管徑變化的反應(yīng)更加明顯。因此，在設(shè)計(jì)鋼管—鋼管混凝土復(fù)合拱橋時(shí)應(yīng)綜合考慮各種因素，在滿足面內(nèi)承載力和剛度要求的前提下，盡可能地減小管內(nèi)混凝土填充長(zhǎng)度，并應(yīng)通過計(jì)算比較確定合理的風(fēng)撐布置形式。除此以外，相關(guān)的學(xué)者通過采用不同的分析方法對(duì)復(fù)合拱橋的受力性能進(jìn)行研究，也表明了鋼管-鋼管混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)相對(duì)于鋼管混凝土拱結(jié)構(gòu)具有自重輕、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)束語

隨著橋梁結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步發(fā)展，鋼管與鋼管混凝土復(fù)合拱橋作為一種新型的橋梁結(jié)構(gòu)以其良好的受力性能必將成為具有發(fā)展前景的橋型結(jié)構(gòu)之一。當(dāng)結(jié)構(gòu)管內(nèi)混凝土填充系數(shù)α=1/4時(shí)，結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)力性能均較好，因此建議在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可以得到較好的受力性能管內(nèi)混凝土以填充至L/4處，在鋼管與鋼管混凝土相接處，截面應(yīng)變值有明顯的突變現(xiàn)象，空鋼管部分受力處于不利狀態(tài)，其應(yīng)力控制應(yīng)成為設(shè)計(jì)工作中的重點(diǎn)。

[1]陳寶春.拱橋技術(shù)的回顧與展望[J].福州大學(xué)學(xué)報(bào)，2009.

[2]陳寶春，陳友杰，劉玉擎.鋼管與鋼管混凝土復(fù)合拱橋[J].橋梁建設(shè).2001.

[3]韋建剛等.鋼管-鋼管混凝土復(fù)合拱橋靜力性能研究[J].福州大學(xué)學(xué)報(bào).2006.

[4]孫潮等.鋼管-鋼管混凝土復(fù)合拱橋動(dòng)力特性分析[J].地震工程與工程振動(dòng).2001.

[5]韋建剛等.鋼管-鋼管混凝土復(fù)合拱橋橫向受力性能分析[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).2005.