浅谈钢管-钢管混凝土复合拱桥的性能

李 静

（太原理工大学建筑与土木工程学院，山西 太原 030024）

1 概述

拱桥作为桥梁工程的基本结构体系之一，具有悠久的使用历史，古今中外著名的拱桥遍布世界各地，在桥梁建筑中占有重要地位。在桥梁发展的漫长岁月里，拱桥也经历了数千年的风雨洗礼但却依旧保持着自身的光彩。与此同时，桥梁的建造材料也逐渐丰富起来，新型建造材料在拱桥上的应用和大跨空间结构的兴起赋予了拱桥更广阔的发展空间，因此，在桥梁结构形式异常丰富的今天，拱桥这种古老的桥梁形式依旧受到桥梁建造者的青睐。

2 钢管-钢管混凝土复合拱桥的提出

桥梁结构总是伴随着新型结构形式和新材料的产生而不断发展进步的。按照主拱结构的主要建造材料，拱桥可以分为石拱桥、钢拱桥、混凝土拱桥和钢管混凝土拱桥[1]。随着桥梁结构的发展对桥梁结构提出了更高的性能要求，钢管结构桥梁由于良好的性能得到了不断改进，从空钢管结构到钢管混凝土结构都是桥梁结构的主要形式之一。

空钢管拱桥和钢管混凝土拱桥有着各自的特性，但是也对于空钢管拱桥来说，结构自重轻、水平推力相对较小、结构表现力丰富、跨越能力大、施工简单，但是稳定性不好，尤其是横向稳定性更是结构设计时最难解决的问题，除此之外与钢管混凝土拱桥相比其结构强度相对较低；钢管混凝土拱桥由于管内混凝土的填充作用增大了构件的刚度，同时可以相对地减小结构的用钢量，尤其适宜面内受力承载可以充分发挥钢管混凝土良好的抗压性能，然而当结构承受横向力时，拱肋改变了以往以受压为主状态，不仅不能发挥结构抗压强度大的优点，而且管内混凝土的质量还加大了拱的横向受力，对拱的横向稳定和横向抗震性能产生了不同程度的不利影响[2]，结构的跨径越大，横向稳定问题就越突出，此外目前不管是在理论基础还是施工工艺上都尚未有很好的方法解决，由于管内混凝土特别是拱顶端混凝土收缩引起的不密实问题。基于以上原因以及在国外有关复合拱桥建造实践的启发并吸收借鉴了国外钢管拱的修建经验的基础上，福州大学陈宝春教授在对钢管混凝土拱桥的应用进行了大量的研究工作后提出了一种新型的结构-钢管-钢管混凝土复合拱桥结构。我国第一座采用钢管与钢管混凝土复合拱桥概念设计的试验桥是福鼎市山前大桥。

3 钢管-钢管混凝土复合拱桥的静、动力性能[3，4，5]

钢管与钢管混凝土复合拱桥为了在减小结构自重的基础上提高拱肋的横向稳定性，同时避开了拱顶段管内混凝土不密实的所带来的问题，仅在拱肋的拱脚段充填混凝土，其余部分仍为空钢管,不仅降低了结构的重心，而且减小了横向地震作用力。对于钢管-钢管混凝土复合拱桥结构来说，混凝土填充长度对结构的静力及动力性能都有着明显的影响。

福州大学韦建刚等应用经实桥测试验证的有限元模型，以管内混凝土填充长度系数α为参数，对钢管-钢管混凝土复合拱的性能进行了分析结果表明：从结构的极限承载力来看，结构的极限承载力受到管内混凝土填充长度系数α的影响较小，但是拱脚处截面的受力则会受到较为明显的影响，且α＞1/6时可以有效地减小拱脚处弯矩，特别是当α=1/4时能较好地改善结构截面在横向地震作用下的受力性能，有效地减小截面的轴力和弯矩水平。从结构的变形角度来看，结构的挠度值对管内混凝土填充长度的变化反应明显，当α=1/4时最经济合理。从弹性稳定方面来看，管内混凝土填充长度的变化虽然对结构的失稳模态不会带来改变，但是却会影响结构失稳的稳定系数，当α=1/4时稳定系数较大，弹性稳定性能最好，当α＞1/4反而会降低拱的稳定性能。综合考虑以上有关管内混凝土填充长度系数α对结构内力与应力、极限承载力、挠度和弹性稳定等方面的分析结果可以看出，钢管—钢管混凝土复合拱肋管内混凝土以填充至L/4处时较为合适，此时结构的静力性能最好。

福州大学孙潮等以山前大桥为例，分析拱脚段钢管混凝土的长度、截面参数和风撑对其动力特性的影响，结果表明，管内混凝土填充长度系数α对其动力性能有一定影响，尤其证明了当管内混凝土长度系数α=1/4比钢管混凝土拱桥的动力性能要好，这是因为钢管混凝土拱桥结构相对于当管内混凝土长度系数α=1/4时拱肋重心大大提高。所以，结构设计时在拱肋能够满足面内承载力的强度要求的情况下不必过分增加管内混凝土填充长度；通过对比不同风撑形式下结构的动力性能得到风撑对于复合拱结构的动力影响并不显著，对结构的高阶自振特性有一定的影响，而对低阶自振频率无太大的影响；对比管径各项参数的影响发现，与增加壁厚相比结构的动力性能对于管径变化的反应更加明显。因此，在设计钢管—钢管混凝土复合拱桥时应综合考虑各种因素，在满足面内承载力和刚度要求的前提下，尽可能地减小管内混凝土填充长度，并应通过计算比较确定合理的风撑布置形式。除此以外，相关的学者通过采用不同的分析方法对复合拱桥的受力性能进行研究，也表明了钢管-钢管混凝土复合结构相对于钢管混凝土拱结构具有自重轻、稳定性好等优点。

4 结束语

随着桥梁结构的进一步发展，钢管与钢管混凝土复合拱桥作为一种新型的桥梁结构以其良好的受力性能必将成为具有发展前景的桥型结构之一。当结构管内混凝土填充系数α=1/4时，结构的静、动力性能均较好，因此建议在结构设计时可以得到较好的受力性能管内混凝土以填充至L/4处，在钢管与钢管混凝土相接处，截面应变值有明显的突变现象，空钢管部分受力处于不利状态，其应力控制应成为设计工作中的重点。

[1]陈宝春.拱桥技术的回顾与展望[J].福州大学学报，2009.

[2]陈宝春，陈友杰，刘玉擎.钢管与钢管混凝土复合拱桥[J].桥梁建设.2001.

[3]韦建刚等.钢管-钢管混凝土复合拱桥静力性能研究[J].福州大学学报.2006.

[4]孙潮等.钢管-钢管混凝土复合拱桥动力特性分析[J].地震工程与工程振动.2001.

[5]韦建刚等.钢管-钢管混凝土复合拱桥横向受力性能分析[J].哈尔滨工业大学学报.2005.