部分填充混凝土鋼管（箱）組合結(jié)構(gòu)橋梁應(yīng)用研究

李運喜，劉 研，劉永健

（1.中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100088；2.南京交通建設(shè)項目管理有限責任公司，江蘇 南京 210000；3．長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064）

部分填充混凝土鋼管結(jié)構(gòu)可分為部分填充混凝土單管結(jié)構(gòu)和部分填充混凝土桁架結(jié)構(gòu)。對于部分填充混凝土單管結(jié)構(gòu)，按截面形式的不同可分為圓形截面和矩形截面。本文結(jié)合部分填充混凝土鋼管組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計實例，對其應(yīng)用及發(fā)展進行分析。

1 部分填充混凝土橋梁結(jié)構(gòu)形式

1.1 部分填充鋼管混凝土拱橋

對于常見的鋼管混凝土拱橋，可僅在拱腳部分填充混凝土，拱頂不填。拱腳部分壓力大，受力復(fù)雜，填充混凝土可減少拱腳區(qū)域鋼材用量以及內(nèi)部焊接工作量，進一步簡化構(gòu)造，節(jié)省工程造價，提高鋼管拱的抗沖擊能力。拱頂部分為空鋼管結(jié)構(gòu)，這可進一步減輕結(jié)構(gòu)重量，降低重心，大大減小橫向地震力作用，而且避免了拱頂管內(nèi)混凝土不密實的問題。

1.2 部分填充混凝土鋼管（箱）桁架橋梁

對于鋼管(箱)桁架橋梁，在實際應(yīng)用過程中，可以采用部分填充混凝土的鋼管桁架結(jié)構(gòu)，根據(jù)實際受力特性，靈活選擇填充混凝土的部位和填充數(shù)量。

由于混凝土具有很好的抗壓性能，在桁架壓力較大的弦管中填充混凝土，可分擔較大的壓力，從而減小弦桿截面面積，防止局部管壁屈曲，減少用鋼量，還可防止鋼管內(nèi)部銹蝕，增強耐久性，并具有較好的延性。在鋼管桁架節(jié)點區(qū)域弦桿填充混凝土，可提高節(jié)點承載力，避免一般節(jié)點復(fù)雜的構(gòu)造；同時降低了節(jié)點應(yīng)力集中程度，提高了抗疲勞性能。

在桁架較大集中荷載作用處、支座和管壁受側(cè)向力區(qū)域的管內(nèi)填充混凝土，可避免鋼管管壁局部屈曲破壞。對于拉力較大的弦桿，可在受拉弦管中填充混凝土，然后施加預(yù)應(yīng)力，提高桁架的整體剛度，減小變形。

此外，鋼管桁架由于其結(jié)構(gòu)輕便、造型美觀、施工方便快捷成為人行天橋等結(jié)構(gòu)的首選。常見的鋼管桁架人行橋多為圓形鋼管桁架結(jié)構(gòu)，平面結(jié)構(gòu)抵抗外力的能力較強，但切割和焊接難度較大；而矩形鋼管桁架鋼管間的切割和焊接施工較為方便，但平面結(jié)構(gòu)抵抗面外力的能力遠遠小于圓拱形結(jié)構(gòu)，見圖1。

圖1 圓形和矩形鋼管承壓面

筆者計算分析的矩形鋼管桁架節(jié)點變形圖驗證了上述分析。為此，可考慮在矩形鋼管桁架的節(jié)點區(qū)域填充混凝土，以改善矩形鋼管桁架的受力性能，彌補矩形鋼管桁架的缺點，進一步擴大矩形鋼管桁架的應(yīng)用范圍，成熟后其設(shè)計和施工可在工廠標準化生產(chǎn)，現(xiàn)場快速拼裝。

1.3 部分填充混凝土鋼結(jié)構(gòu)塔柱

對于鋼結(jié)構(gòu)橋塔、橋墩等，構(gòu)件本身為偏心受壓構(gòu)件，在根部填充混凝土可大大提高根部受壓承載能力，減少根部復(fù)雜的加勁措施，防止根部鋼結(jié)構(gòu)局部屈曲，提高塔柱結(jié)構(gòu)塑性鉸區(qū)域的延性，進而提高其抗震性能；同時，還可提高根部抵抗車輛撞擊能力。

1.4 工作環(huán)境較惡劣的箱型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件

對于所處環(huán)境為干濕交替、空氣流通不暢、內(nèi)部容易積水、養(yǎng)護較難的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，可在箱室內(nèi)部填充輕質(zhì)混凝土或其他輕質(zhì)合成材料。

2 研究現(xiàn)狀

日本學(xué)者在文獻［2］中提出使用部分填充混凝土的鋼管和鋼筋混凝土橋面組合作為斜拉橋的主梁，并通過對一座900 m的斜拉橋的分析與試驗，確定這種新結(jié)構(gòu)是可行的和具有競爭力的，橋梁總體布置圖見圖2。其填充思路為：在邊跨端部支座處（區(qū)域A1，A2）填充混凝土以減少負反力；橋塔附近主梁內(nèi)（區(qū)域A2和B）存在巨大軸壓力，此區(qū)域填充混凝土可有效增加抗壓能力；跨中部位（區(qū)域C）壓力很小，在此區(qū)域可不填混凝土。鋼管內(nèi)的空間提供了控制沿跨長的重量分布的辦法。

文獻［3］提出在橋塔到跨中的過渡段部分填充輕混凝土，采用2層鋼管相套，在中間環(huán)形填充混凝土的形式。

圖2 部分填充混凝土鋼管斜拉橋總體布置

在國內(nèi)，部分填充混凝土鋼管拱橋已經(jīng)得到應(yīng)用。文獻［4］對一座部分填充混凝土鋼管拱橋——山前大橋進行了受力特性研究，其研究結(jié)果表明：部分填充混凝土結(jié)構(gòu)具有良好的彈塑性工作性能；但是鋼管段與鋼管混凝土段交接處變形曲線出現(xiàn)明顯折點，而且拱肋變形較大，這些地方的構(gòu)造還有待進一步改善。

文獻［5］研究了混凝土不同填充長度對橋梁結(jié)構(gòu)動力特性的影響。分析結(jié)果表明：填充混凝土對橋梁動力特性有一定的影響，當混凝土填充長度從拱腳超過L/4后，拱肋重心提高，對動力性能影響較明顯。

文獻［6］通過用有限元軟件分析了傳統(tǒng)全部填充鋼管混凝土拱橋和部分填充鋼管混凝土拱橋的面內(nèi)整體穩(wěn)定性和使用階段的位移變形，并通過實橋算例對比，說明部分灌注鋼管混凝土拱橋自重輕、穩(wěn)定性好，且變形值滿足使用階段的要求。

文獻［7-9］通過試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，研究了部分填充混凝土橋梁墩柱的動力特性和抗震性能。其研究表明，部分填充混凝土鋼管墩柱具有良好的抗震性能。

部分填充混凝土鋼管(箱)組合結(jié)構(gòu)橋梁盡管在國內(nèi)外有一些應(yīng)用，但還未形成一套完善的理論體系、設(shè)計理念和共識。

3 應(yīng)用現(xiàn)狀

部分填充混凝土鋼管(箱)組合結(jié)構(gòu)橋梁在國內(nèi)外橋梁中已有應(yīng)用，只是由于數(shù)量較少，尚沒有形成獨立的結(jié)構(gòu)概念。早期采用的部分填充理念并不是出于對結(jié)構(gòu)受力的考慮，比如法國Antrenas橋，該橋跨徑56 m，為一空間桁式組合結(jié)構(gòu)，為提高鋼管拱的抗沖擊能力，在其兩端拱腳部分填充了混凝土［10］。

國內(nèi)福建福鼎山前大橋、重慶萬盛藻渡大橋、廣東佛山東平大橋等也采用了部分填充混凝土單管鋼管結(jié)構(gòu)。其中福建福鼎山前大橋為圓管截面，重慶萬盛藻渡大橋、廣東佛山東平大橋為鋼箱截面。

福建福鼎山前大橋采用下承式剛架系桿拱（見圖3），兩拱腳段水平投影長16.305 m范圍內(nèi)（接近L/4處）為鋼管混凝土截面，拱頂段水平投影長42.39 m范圍內(nèi)為空管截面［6］。

圖3 山前大橋總體布置圖

重慶萬盛藻渡大橋的拱肋截面為鋼箱截面，拱腳區(qū)段鋼箱內(nèi)和跨中區(qū)段鋼箱頂面澆注混凝土。

東平大橋（見圖4）為3片拱肋的多重組合體系拱橋，其主拱、副拱和剛性系梁均采用帶加勁肋的鋼箱，而邊拱采用鋼箱混凝土，屬于部分填充混凝土鋼箱結(jié)構(gòu)。

圖4 東平大橋總體布置圖（尺寸單位：cm）

部分填充混凝土鋼管桁架橋梁結(jié)構(gòu)是在部分填充混凝土單管結(jié)構(gòu)上的進一步發(fā)展。湘潭四橋和衡酃路湘江特大橋均為部分填充混凝土鋼管桁架結(jié)構(gòu)，桁架構(gòu)件均采用圓形截面。

湘潭四橋（見圖5）為120 m+400 m+120 m斜拉飛燕式系桿鋼管混凝土拱橋，邊跨與主跨跨度比為0.3。大橋主拱采用中承式雙肋無鉸平行桁架拱，每肋由6Φ850 mm鋼管混凝土組成，拱頂下弦管在無斜拉索區(qū)域采用空鋼管結(jié)構(gòu)截面。

圖5 湘潭四橋立面圖

衡酃路湘江特大橋（見圖6）為雙層鋼管桁梁系桿拱橋。邊拱和中拱拱肋在拱腳一定長度范圍內(nèi)填充C50混凝土，其余部位為空鋼管段?？珍摴軆?nèi)設(shè)環(huán)形橫向加勁肋以及4根100×10的縱向加勁肋，灌注混凝土段和空鋼管段以鋼板隔開，并采取一定的加勁措施［11］。

圖6 衡酃路湘江特大橋結(jié)構(gòu)布置

4 實例分析

4.1 某3跨連續(xù)剛性懸索加勁鋼桁架橋

某3跨鋼桁架橋為加勁弦鋼桁梁雙層橋，上層為高速公路，下層為城市交通。原橋為鋼箱桁架結(jié)構(gòu)，計算后比較發(fā)現(xiàn)，在圖7所示位置的FG段、HH段、CD段鋼箱內(nèi)填充混凝土后，邊桁下弦桿軸力增加12%；中支座附近下弦桿應(yīng)力下降16%，其他桿件應(yīng)力下降幅度在22%~51%；對于沒有填充混凝土的弦桿，應(yīng)力增加的幅度為11%~13%。

圖7 混凝土填充部位

上弦桿填充混凝土后，中支座處沒有填充混凝土的GH段軸力增加5%~8%，而在填充混凝土的FG和HH段，軸力增加12%~27%，應(yīng)力水平降低了29%~44%。總體來說，混凝土對分擔壓應(yīng)力的貢獻大于其增加的自重效應(yīng)。斜桿沒有填充混凝土，由于自重的增大，軸力和應(yīng)力變化幅度基本同步，應(yīng)力增加幅度基本上在6%~13%。

從以上的分析可以看出［12］，混凝土對分擔構(gòu)件壓力的貢獻大于其自重作用的效應(yīng)，對整體結(jié)構(gòu)利大于弊。在實際應(yīng)用中，合理地進行結(jié)構(gòu)的布置，揚長避短，會起到更好的作用。

4.2 某4拱肋全鋼靠背拱橋

圖8為某4拱肋全鋼靠背拱橋，主、斜拱水平力自平衡，主拱依靠鋼主梁平衡水平推力，斜拱依靠預(yù)應(yīng)力系桿平衡水平推力。4片拱肋和4片系梁均采用全焊矩形鋼箱梁。

圖8 某4拱肋全鋼靠背拱橋

由于邊系桿的截面比主系桿的截面小很多，4個鋼箱系桿在平衡各自拱肋的水平推力時，其變形不同步，邊系桿伸長長度大于中系桿伸長長度，導(dǎo)致端橫梁承受較大的橫向彎矩，最終通過在邊系梁內(nèi)施加預(yù)應(yīng)力來達到4個系桿變形同步的目的。

根據(jù)“按需分配”原則和部分填充混凝土的理念，在端橫梁內(nèi)填充混凝土，省去邊系梁預(yù)應(yīng)力錨固所需要的復(fù)雜的加勁構(gòu)造，簡化了構(gòu)造和施工。同時端橫梁填充混凝土可較好地將上部結(jié)構(gòu)荷載傳遞到支座上，省去復(fù)雜的支座部位的加勁構(gòu)造。端橫梁灌注混凝土后，不僅抗彎剛度大大增加，拱肋穩(wěn)定性安全系數(shù)也得到提高。

邊系梁截面較小，在邊系梁內(nèi)灌注混凝土，不會增加太多自重荷載，可方便預(yù)應(yīng)力的施加，減少施加預(yù)應(yīng)力后鋼箱局部屈曲的風(fēng)險，避免了空箱內(nèi)預(yù)應(yīng)力后期的養(yǎng)護難度。

在拱腳大概L/4區(qū)域灌注混凝土，可以改善拱腳部分受力，節(jié)省加勁構(gòu)造措施，節(jié)省鋼材，提高結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能，在橋梁運營過程中，還可增強拱腳區(qū)域鋼箱結(jié)構(gòu)抗車輛撞擊能力。

5 部分填充混凝土鋼管(箱)結(jié)構(gòu)應(yīng)用展望

（1）對于小跨徑的簡支梁橋，采用部分填充混凝土鋼管桁架結(jié)構(gòu)，便于于工廠加工，一方面有利于施工質(zhì)量的保證；另一方面在山區(qū)等施工環(huán)境較復(fù)雜的橋梁施工現(xiàn)場，可以直接架設(shè)，既簡便快速又減小了施工難度。在結(jié)構(gòu)發(fā)展成熟后，部分填充混凝土鋼管桁架簡支梁橋可以實行標準化節(jié)段設(shè)計。

（2）對于中等跨徑的連續(xù)梁橋，一般采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁式橋，當跨徑達到240~270 m時，其恒載在橋梁荷載作用中所占比例可達93%，而活載內(nèi)力僅占7%［12］，隨著跨徑的進一步增加，其恒載所占比例可能更高。據(jù)資料［12］研究表明，在300~380 m的跨徑范圍內(nèi)，如果采用鋼管混凝土空間桁架連續(xù)剛構(gòu)，其恒載內(nèi)力所占比例只有85%。如果進一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)，采用部分填充混凝土矩形鋼管桁架結(jié)構(gòu)，其恒載所占比重將進一步減小。

（3）90年代以后鋼管混凝土拱橋日益增多，跨徑不斷增大，且近年來大跨度鋼拱橋也日漸增多。在拱橋的發(fā)展中引入部分填充混凝土鋼管拱橋，對于改善橋梁使用階段的受力性能，嘗試和發(fā)展新的拱橋形式有重要作用。

（4）對于纜索支撐橋梁，索塔是主要的承重構(gòu)件之一，它不僅要承受巨大的軸力，而且還要承受一定的彎矩。因此早期多用鋼塔結(jié)構(gòu)，近年來趨于采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。從受力角度考慮，部分填充混凝土鋼箱結(jié)構(gòu)是可以用來修建斜拉橋主梁和主塔的，而且具有較好的延性和抗震性能。

（5）對于市政工程橋梁，特別是人行天橋等鋼管作為構(gòu)件的橋梁，造型美觀，結(jié)構(gòu)輕盈，外表華麗，與城市的環(huán)境非常協(xié)調(diào)。采用鋼管桁架的結(jié)構(gòu)形式，有利于快速施工，整橋標準化工廠制作，減少城市主干道的占用時間。城市人行天橋一般為跨城市主要道路，橋下空間一般為城市主干道，采用混凝土鋼管桁架，配合預(yù)應(yīng)力的使用，可以增大橋梁的跨度，盡量減少橋梁支撐點，節(jié)省橋下空間。

隨著科技的發(fā)展，一些質(zhì)量更輕、性能更好的人工復(fù)合輕型材料會不斷涌現(xiàn)，也可作為鋼管、鋼箱等橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件的填充物。

6 結(jié)語

本文對部分填充混凝土土鋼管(箱)結(jié)構(gòu)橋梁的可行的結(jié)構(gòu)形式進行了探討，并結(jié)合工程實例進行了分析，分析結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)形式具有明顯的優(yōu)越性及合理性。這一新型結(jié)構(gòu)形式對豐富和發(fā)展鋼-混組合結(jié)構(gòu)理論，拓寬組合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍具有重要的意義。

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