鋼管混凝土拱橋的應(yīng)用和發(fā)展

趙新勝

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鋼管混凝土拱橋的應(yīng)用和發(fā)展

趙新勝*

（江西應(yīng)用科技學院，江西南昌，330100）

橋面系強健性的重視在不斷提高,然而強健性好的整體式和具有加勁縱梁的懸吊橋面系的應(yīng)用還不夠普及。鋼管拱的架設(shè)方法仍以支架法、懸臂法和轉(zhuǎn)體法3種為主,其中懸臂拼裝法應(yīng)用最多，適用跨徑最大范圍也最廣。 由于鋼管混凝土具有承載力高，耐腐蝕，施工等一系列優(yōu)點，在土木工程中的應(yīng)用越來越廣泛，尤其在橋梁工程中的應(yīng)用也一樣越來越引起人們的興趣與重視。文章介紹了鋼管混凝土的主要特點和鋼管混凝土拱橋在我國的應(yīng)用情況，提出現(xiàn)今存在的問題、未來的發(fā)展方向。

鋼管混凝土；鋼管混凝土拱橋；施工方法；應(yīng)用；發(fā)展

引言

英國賽文鐵路橋的橋墩是第一次采用鋼管混凝土這種組合材料，國內(nèi)的專家學者對這種組合材料的性能研究一直以來就沒有停止過。隨著全國的研究的不斷的加深，施工的工藝很大幅度的改進，工程施工應(yīng)用得到日益廣泛推廣，建筑、廠房、橋梁的港口工程施工過程中都有應(yīng)用，著重在橋梁上的應(yīng)用，突出了其的力學特點。

1 鋼管混凝土的基本原理

鋼管混凝土的英文簡稱是CFST。是將高強混凝土澆灌薄壁圓鋼管內(nèi)從而形成的結(jié)構(gòu)材料,在常見的工作狀態(tài)形式下,兩種不同的力學性質(zhì)的材料，產(chǎn)生互相的作用,是用緊箍力來調(diào)合工作。因此鋼管進入了塑性屈服的階段,相互之間的作用力，剩下粘合的結(jié)力。因為緊箍力的存在,致使鋼管和混凝土處于三面受力的狀態(tài),混凝土在三面壓力的作用下,工作性的能力發(fā)生質(zhì)的變化,這樣不但提高承載力,而且還增強了極限壓的應(yīng)變。所以鋼管混凝土作為一種組合的材料,有獨特的的特性，彈性塑性破壞,極限壓縮變形大。本構(gòu)關(guān)系是直接根據(jù)結(jié)構(gòu)，處于極限狀態(tài)時平衡的條件，計算出極限狀態(tài)的荷載數(shù)值。因為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的受力路徑，很復(fù)雜,所以導(dǎo)出的公式，很多是半理論半經(jīng)驗的；另一種情況認為，鋼管混凝土是一個結(jié)構(gòu)，通過測定鋼管和混凝土準確的本構(gòu)關(guān)系,利用屈服準則，采用增量法逐步計算出，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的荷載--位移曲線,在此基礎(chǔ)上確定各種力學指標,公式以回歸居多。這套理論已經(jīng)為國內(nèi)有些部委所采納,并編制了對應(yīng)的規(guī)范或規(guī)劃流程。

2 拱橋的施工方法

從我國的拱橋施工技術(shù)來看，鋼管混凝土拱橋的施工方法有以下幾種方法：

（1）支架施工方法。支架施工方法是在橋位處先按鋼管拱肋的設(shè)計線形和預(yù)留拱度值，拼裝好膺架，于膺架上就位拼裝、焊接成拱的施工方法。

（2）平轉(zhuǎn)施工方法。平轉(zhuǎn)施工法是將兩個拱圈分為兩個半拱，分別在兩岸偏離橋位的位置，利用山體、岸坡或引橋的橋墩設(shè)置膺架，拼裝拱肋和拱上立柱，形成半拱，然后水平轉(zhuǎn)體就位，再拼裝合龍段成拱。

（3）豎轉(zhuǎn)施工法。豎轉(zhuǎn)施工法是先在拱頂附近將主拱圈一分為二，并以拱腳為旋轉(zhuǎn)中心，將設(shè)計拱軸線垂直向下

（4）纜索吊裝法。纜索吊裝懸臂施工方法是我國修建大跨度拱橋的主要方法之一。當這種方法用于鋼管混凝土拱橋時，遇到的新考驗（當跨徑較大時，拱肋節(jié)段多、重量大）促使對它進行改造與創(chuàng)新。

3 拱橋的應(yīng)用與發(fā)展

鋼管混凝土的拱橋分為兩類: 第一類是內(nèi)填型式的鋼管混凝土的拱橋，其中是鋼管的管壁外露，結(jié)構(gòu)中的含鋼比率很高，充分有效的利用鋼管和混凝土的組合材料抗壓力度高、抵抗沖擊的力度強。鋼管作為核心混凝土澆灌過程中，模板與支架，便宜施工，更加重要的是，增強了跨越強度力，第二類是內(nèi)填外包型式鋼管混凝土的拱橋，主要解決大跨度拱橋的拱肋的安裝問題，首要是架設(shè)自身的重量輕，強度、剛硬度較大的鋼管骨架，其次在空鋼管內(nèi)部澆注的混凝土形成一種鋼管混凝土，然后在鋼管混凝土骨架的外面掛上模板，澆灌外包混凝土，形成鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)常叫作“勁性骨架混凝土”。在這樣的結(jié)構(gòu)中的鋼管與形成的鋼管混凝土，主要作為施工過程中的勁性強度骨架來綜合考慮。形成拱橋后，可以作為拱跨中的結(jié)構(gòu)一部分來參與承受力，但是用量配比一般情況是由施工設(shè)計師控制。

我國的鋼管混凝土在橋梁施工工程中，開始研究與應(yīng)用，應(yīng)該是在20 世紀80 年代初。于1990 年10 月建成我國第一座鋼管混凝土的拱橋，是四川旺蒼的東河大橋,橫跨度是115 m ,拱肋是由上下2 根鋼管2Φ 800 ×10 mm 組成的啞鈴形的斷面,內(nèi)澆灌是C30 的混凝土,和Q235 的鋼材。至此以后,在我國10余年間,鋼管混凝土的拱橋，在我國取得迅猛的發(fā)展,全國各個地方，大量的利用鋼管混凝土，建成大跨度拱的橋。首次利用鋼管變厚的方法，從而來減小對主跨拱腳處的推力，并采用邊跨來平衡此處推力。比如1996 年建成，長江三峽工程的3 座公路的拱橋——分別是黃柏河大橋、下牢溪大橋，蓮沱大橋, 跨長度分別為160 m、160 m 和114 m ,這三座大橋都是屬于多拱肋上承式的拱橋,每片拱肋都是皆采用2個鋼管混凝土組成的啞鈴形狀的截面。以上拱橋，講述的都屬于鋼管混凝土拱橋的第一種——鋼管內(nèi)填混凝土。鋼管混凝土的第二種——鋼管內(nèi)填外包型。目前已建成拱橋有，江西的德興太白橋、廣西的邕寧邕江大橋、四川的鹽源金河雅礱江大橋，四川的內(nèi)江新龍坳大橋等，其中我國最著名的是，重慶市萬縣的鋼管內(nèi)填外包型拱橋是長江大橋,它的長度是L= 420 m ,上承式的拱橋，利用的是10 根鋼管，組成的空間桁架(10 Φ 402 ×16 mm ,Q345 鋼材)，吊裝以后成拱形，對鋼管內(nèi)灌C60 混凝土，之后掛上模板澆灌混凝土，成高為7 m、成寬為16. 0 m 單箱的三室箱，形截面拱肋，橋面總寬長為24 m。這是到現(xiàn)今為止全世界跨度最長的以鋼管混凝土為勁性骨架的拱橋。該拱橋的修建是世界記錄最新型的拱橋，也是鋼管混凝土在拱橋中應(yīng)用一個最新的里程碑。

在我國這20 年時間里,我國建造成200多座，跨長度不一樣的鋼管混凝土的拱橋,究其有什么原因,以鋼管混凝土拱橋的自身而言,可以歸納以下幾個要點:

（1）跨長度的適應(yīng)能力強。中國幅員遼闊，地形復(fù)雜，江河山谷眾多，需要建造跨度各異的橋梁。（2）承載能力大，施工快捷。（3）地基的適應(yīng)強。鋼管混凝土的拱橋，可以根據(jù)不一樣的地質(zhì)和橋位斷面,設(shè)計為有效推力的拱橋，同樣也可以設(shè)計無推力系桿的拱橋。（4）拱橋的造型特別優(yōu)美。優(yōu)美的鋼管混凝土的拱橋，除了更加實用的以外，還是高雅建筑的藝術(shù)品,還可以成為一個城市和地域的象征，完美的鋼管混凝土拱橋就像一道五彩賓紛的彩虹橫跨江面的兩岸，再加上亮麗的燈光設(shè)計，讓人感覺賞心悅目。

4 拱橋現(xiàn)今存在的問題

我國鋼管混凝土的拱橋發(fā)展迅猛和速度，但是相應(yīng)的理論基礎(chǔ)知識滯后，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）剛度取值問題。目前現(xiàn)有的鋼管混凝土的拱橋沒有一套完美的管理制度，針對拱肋的軸壓的剛度、彎曲的剛度，剪切的剛度，到現(xiàn)在沒有形成一套統(tǒng)一理論體系和計算公式。

（2）脫空問題?；炷恋氖湛s和外界溫度的變化，會至使鋼管混凝土拱肋，在拱頂呈現(xiàn)鋼管和混凝土不密貼的表象，可以致使套箍力的發(fā)揮，在工程施工過程中存在質(zhì)疑，針對這個問題，現(xiàn)今還缺乏一定深入的研究。

（3）鋼管疲勞和銹蝕的問題。鋼管混凝土的拱橋在使用過程，吊桿和系桿的腐蝕或者銹斷相對更嚴重，即使我國對這個方面展了了很多研究，但是檢測的費用要很高，因此我國需要研究低廉的維修方法。

（4）鋼管混凝土基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的關(guān)系問題。因為鋼管混凝土的力學行為復(fù)雜性,至今還沒有形成相對完善的本構(gòu)關(guān)系,特別是混凝土，本構(gòu)的關(guān)系,現(xiàn)今有的本構(gòu)關(guān)系，雖然也包括混凝土的彈塑性、以及屈服階段,但是大部份都以回歸公式為主。鋼管和混凝土各自都有本構(gòu)關(guān)系，怎么樣選取,才能可以使這二者，結(jié)合最完善最合適,還缺乏相當大的研究。

5 拱橋的未來發(fā)展

鋼管混凝土的拱橋，是以跨長度的適應(yīng)能力很大,施工的進度快捷和方便,以橋的外形更加美觀和漂亮,對地基的要求很低，等很多一系列的優(yōu)勢，這也必將得到進一步的發(fā)展速度,但這也是在鋼管混凝土的拱橋，這一項新型領(lǐng)域，更需要許多我們進一步的探討地方。例如超大跨度的，鋼管混凝土的拱橋，空間靜動力穩(wěn)定性分析問題，大跨度以及超大跨度的鋼管混凝土拱橋，施工的技術(shù)以及其施工工程各方面的控制問題。跟隨這些問題了逐步得到解決方案，我們相信，鋼管混凝土的拱橋跨度將會達到650 m，甚至會超過1 000 m，計算的理論將會變得更加完善和完美，以及更好地服務(wù)于生產(chǎn)實踐在現(xiàn)實中去。

6 結(jié)束語

本文介紹了鋼管混凝土拱橋的發(fā)展及應(yīng)用，由于鋼管混凝土的特殊性能，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在拱橋等建筑結(jié)構(gòu)上得到了廣泛的應(yīng)用，隨著對鋼管混凝土材料性能認識的加深，鋼管混凝土的應(yīng)用必將取得更大發(fā)展。

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Application and Development of Steel Tube Concrete Arch Bridge

ZHAO Xinsheng*

(Jiangxi university of applied science and technology, jiangxi Nanchang, 330100, China)

the importance of the bridge deck robustness has been improved, but the application of a strong integrated system and the suspension bridge with stiffening longitudinal beams are not popular enough. The method of erection of steel tube arch is still based on the three main methods: scaffold method, cantilever method and transition method, with the most application of cantilever assembly method and the maximum range of the maximum span. Because the concrete-filled steel tube has high bearing capacity, corrosion resistance, the construction and a series of advantages, applications in civil engineering more and more widely, especially its application in bridge engineering as well as more and more arouse people's interest and attention. This paper introduces the main characteristics of concrete-filled steel tube and the application of concrete-filled steel tubular arch bridge in China, and puts forward the present problems and future development direction.

steel tube concrete; Steel tube concrete arch bridge; Construction method; Application; develop

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.08.044

U448.33

A

1672-9129(2017)08-0099-02

趙新勝. 鋼管混凝土拱橋的應(yīng)用和發(fā)展[J]. 數(shù)碼設(shè)計, 2017, 6(8): 99-100.

ZHAO Xinsheng. Application and Development of Steel Tube Concrete Arch Bridge[J]. Peak Data Science, 2017, 6(8): 99-100.

2017-03-01；

2017-04-15。

趙新勝（1982-），男，研究方向：材料工程管理，學歷：碩士，職稱：高工，講師，中共黨員，職務(wù)：職培與教材服務(wù)中心處長。E-mail:179059647@qq.com