鋼管拱與勁性骨架拱的對比分析與發(fā)展方向概述

張濤

重慶交通大學(xué) 重慶 400074

1 鋼管拱與勁性骨架拱概述

鋼管混凝土是一種由鋼管與混凝土結(jié)合形成的新型復(fù)合材料，具有優(yōu)異的力學(xué)性能和施工方便性。鋼管混凝土在土木工程中具有多方面的應(yīng)用，如房屋建筑、港口建設(shè)、橋梁建筑以及特種工程等。而鋼管混凝土在拱橋中的應(yīng)用，恰好解決了拱橋設(shè)計(jì)里的高強(qiáng)度材料和無支架施工兩大難題，使得停滯多年的拱橋技術(shù)得到了進(jìn)一步發(fā)展。鋼管混凝土拱橋具有跨徑大、地基適應(yīng)性好、用料省、安裝重量輕、施工簡便、承載能力大、造型優(yōu)美等優(yōu)點(diǎn)，目前鋼管混凝土拱橋有鋼管拱和勁性骨架拱兩種形式。

1.1 鋼管拱

鋼管拱是一種以各種形狀的鋼管為骨架（一般是圓形），內(nèi)填高強(qiáng)混凝土，鋼管管壁外露制成拱肋的肋拱橋，鋼管混凝土在鋼管拱橋建設(shè)過程中，初期作為施工骨架，后期作為承重部分，以使用荷載為控制荷載。鋼管拱橋的結(jié)構(gòu)形式多樣，有上承式拱、中承式拱、飛燕式拱、拱梁組合體系橋和下承式剛架系桿拱橋。鋼管拱的截面形式多為桁架布置形式，很少布置成單管形或者啞鈴形，因?yàn)閱喂苄?、啞鈴形在大跨度拱橋中，截面剛度和穩(wěn)定性較小。我國從20世紀(jì)50年代開始起步研究鋼管混凝土，截至目前鋼管拱橋已修建400多座，應(yīng)用范圍非常廣泛[1]。

1.2 勁性骨架拱

勁性骨架拱是一種以型鋼或鋼管混凝土作為受力筋和勁性骨架，再外包混凝土形成主拱圈的拱橋。目前修建的許多橋梁（如滬昆鐵路北盤江大橋）由于鋼管混凝土各個方向的應(yīng)力均勻，受力性能好，采用鋼管混凝土作為勁性骨架，而較少采用型鋼。用鋼管混凝土作為勁性骨架的勁性骨架拱橋又稱內(nèi)填外包型鋼管混凝土拱橋。勁性骨架在勁性骨架拱橋中，作為澆筑混凝土的模板和支架，實(shí)現(xiàn)了無支架施工；作為受力筋，提高了拱圈的剛度和抗壓強(qiáng)度。鋼管混凝土的主要作用還是作為勁性骨架，荷載作用則是混凝土與勁性骨架共同承擔(dān)。勁性骨架拱橋拱圈形式也是多種多樣，按拱圈形式可為肋拱式，也可為板拱式。肋拱式按肋的截面形式，又可分為工字形和箱形。板拱的截面形式一般是箱型截面，因?yàn)橄湫徒孛孀灾剌p、抗扭剛度大，整體性比較好。 目前已修建的勁性骨架拱橋有四川內(nèi)江新龍拗大橋、萬州長江大橋、廣西邕江邕寧大橋等。

2 鋼管拱與勁性骨架拱對比

2.1 構(gòu)造形式對比

鋼管拱橋采用鋼管混凝土作為承重結(jié)構(gòu)，以成橋后的承重荷載作為鋼管拱圈的控制荷載，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)屬于內(nèi)填式，鋼管內(nèi)部填充混凝土，外部外露；勁性骨架拱橋采用型鋼或鋼管混凝土主要作為勁性骨架方便施工，其次作為受力鋼筋與混凝土共同承重，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)屬于內(nèi)填外包式，鋼管內(nèi)部填充混凝土，外部再以混凝土包裹。鋼管拱橋由于鋼管外露，其防腐防銹能力比較差，耐久性能不如勁性骨架拱橋，后期養(yǎng)護(hù)花費(fèi)比較嚴(yán)重；勁性骨架拱橋由于需要在勁性骨架外包混凝土，混凝土收縮徐變現(xiàn)象對結(jié)構(gòu)力學(xué)行為影響嚴(yán)重，易出現(xiàn)下?lián)系痊F(xiàn)象[2]。

2.2 性能對比

兩種橋型都運(yùn)用了鋼管混凝土，都具有抗壓抗拉能力大、塑形能力強(qiáng)、施工性能好的特點(diǎn)，都解決了拱橋里的兩大難題--無支架施工與材料強(qiáng)度，都避免了對混凝土配筋的過程，降低了施工復(fù)雜度，提高了拱橋的承載力。但是，兩者雖都運(yùn)用了鋼管混凝土，但是其作用是不同的。鋼管拱橋中鋼管混凝土主要作為承重結(jié)構(gòu)，其次是作為勁性骨架方便施工，控制荷載是使用荷載；勁性骨架拱橋中鋼管混凝土主要作為勁性骨架方便施工，其次是作為受力鋼筋與混凝土共同承重，其控制荷載是施工荷載。在相同的承載能力下，勁性骨架拱的用鋼量更省。在溫度荷載作用下，鋼管拱橋因鋼管外露受溫度影響大，二次應(yīng)力對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)影響嚴(yán)重。勁性骨架拱橋相比鋼管拱橋還具有剛度大、變形小、動力性能好的特點(diǎn)，適合于修建鐵路橋。但勁性骨架拱橋含鋼率較鋼管拱低，自重更大，跨越能力不如鋼管拱。

2.3 施工對比

兩種橋型都需要搭建勁性骨架，搭建方法也都相似，常用懸索吊裝法、轉(zhuǎn)體施工法，具體使用方法與實(shí)際情況和橋型選擇有關(guān)。兩者施工搭建上不同的是勁性骨架搭建完后的處理--勁性骨架拱橋比鋼管拱橋多了一步對對鋼管拱進(jìn)行外包混凝土處理。這一點(diǎn)差異使勁性骨架拱的施工周期比鋼管拱的周期增長了許多，施工階段穩(wěn)定性降低，而且結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換次數(shù)增多，使得拱圈截面幾何物理特性在施工過程中不斷變化，結(jié)構(gòu)受力十分復(fù)雜，不易把控承載能力。

3 發(fā)展方向

鋼管拱橋與勁性骨架拱橋各有各自的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)，鋼管拱橋的優(yōu)點(diǎn)是自重輕，強(qiáng)度大，施工較勁性骨架拱橋簡單，缺點(diǎn)是耐久性不如勁性骨架拱橋，容易出現(xiàn)銹蝕問題，溫度影響較勁性骨架拱橋要嚴(yán)重一些；而勁性骨架拱的優(yōu)點(diǎn)就是造價相對經(jīng)濟(jì)，結(jié)構(gòu)剛度大、動力性能好，缺點(diǎn)是施工步驟相比鋼管拱橋要多，施工階段受力比較復(fù)雜，混凝土收縮影響嚴(yán)重。所以作者認(rèn)為鋼管拱的發(fā)展方向是大跨徑拱橋，鋼管拱橋由于自身重量輕，承載能力強(qiáng)，所以可用于大跨徑的拱橋建設(shè)。而勁性骨架拱橋，由于其動力性能好，其發(fā)展方向是鐵路橋，當(dāng)然也可用于小跨徑橋梁建設(shè)[3]。

4 結(jié)束語

鋼管拱橋和勁性骨架拱橋作為兩種運(yùn)用新型材料拱橋，相比傳統(tǒng)拱橋其性能優(yōu)勢非常明顯。新材料帶來科技進(jìn)步的同時也提出了許多新問題，如鋼管混凝土的本構(gòu)關(guān)系，鋼管混凝土在拱橋中的有限元計(jì)算缺乏統(tǒng)一性，鋼管混凝土中的初始應(yīng)力問題，脫空問題等，這些都有待于相關(guān)科研人員進(jìn)一步努力。

[1]陳寶春.鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)與施工[M].北京:人民交通出版社,1999:11-17.

[2]陳寶春.我國鋼管混凝土拱橋應(yīng)用現(xiàn)狀與展望[J].土木工程學(xué)報(bào),2017,50(6):51-60.

[3]趙人達(dá).我國鋼管混凝土勁性骨架拱橋發(fā)展綜述[J].橋梁建設(shè),2016,46(6):46-49.