浅谈钢管混凝土拱桥设计

浅谈钢管混凝土拱桥设计■魏显斌■苏交科集团股份有限公司，江苏南京210017
摘要：本文通过《钢管混凝土拱桥设计规程》中材料、设计的基本规定两方面具体对国内现有的钢管混凝土拱桥进行探讨，增加对钢管混凝土拱桥的全
方面的认识。

仅供参考。

关键词：钢管混凝土钢管混凝土拱桥设计规范
前言
钢管混凝土拱桥是一种大跨径型的，并且通过从内部灌注混凝土的钢管拱架形成桥梁的支撑或悬挂结构体系。

钢管混凝土拱桥可以在桥梁的下部，通过分布的墩柱支撑桥梁，拱架也可以在桥梁的上部，通过分步的钢索悬挂桥梁。

1钢管混凝土拱桥材料选择及其运用
顾名思义，钢管混凝土拱桥所主要采用的材料分别是混凝土、钢材和钢管混凝土三种材料。

在混凝土的选择上，主要通过混凝土的“强度等级”来对混凝土进行考核。

我国对混凝土强度等级方面的考核通过《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081－2002），制作边长为150mm的立方体，用标准试验方法来测试混凝土的极限抗压强度。

在该标准试验方法的测量下，混凝土的强度等级被划分为十四个等级：C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C80。

但是，钢管混凝土拱桥在混凝土材料的选择方面，应先通过标准试验法，具体测量混凝土的强度等级，同时，根据所划分出来的已知的混凝土的强度等级上，参考各地方的建设标准，并且通过对桥梁施工地点进行全方面的调查，如气候、日照、温差等方面，从而来选择合适的混凝土的强度等级来建造钢管混凝土拱桥。

在钢材的选择方面，则主要是从钢管和钢材强度设计值两方面来对钢材进行审核。

钢管混凝土在钢管的选择方面，可选择直缝焊接管、螺旋焊接管和无缝焊管。

需根据工程本身从而选择具体的钢管。

直缝焊管是通过热轧或冷轧钢板或钢带卷焊制而成的钢管在焊接设备上进行直缝焊接得到的管子，这类钢管一般运用于输送水、煤气、空气和油等方面的运输，因此在桥梁设计中，较少使用直缝焊管。

螺旋焊接管，是指用钢带或钢板弯曲变形为圆形、方形等形状后再焊接成的，表面有接缝的钢管，一般运用在桥墩的建造方面。

无缝钢管具有中空截面，重量较轻，因此在桥梁建设当中可在小管径构件上进行运用。

由于在桥梁建设当中，需要数量多的大口径焊接管，因此，在钢管的选择上，可以选择螺旋焊接管，其成本较低，生产效率较高。

钢材强度则应严格按照国家《钢管混凝土拱桥技术规程》进行选择。

钢管混凝土，主要考究的是混凝土与钢材的匹配，钢材的含钢率和钢材强度应和混凝土等级相匹配，而考究两者是否相匹配，则重点看两者之间的套箍系数。

套箍系数不足往往容易导致拱桥引起脆性破坏，同时，并不是套箍系数越高便表明拱桥稳定。

根据《钢管混凝土结构设计与施工工程》CECS28：90规定套箍系数不得低于0．3，同时上限为3．0。

2钢管混凝土拱桥设计中的注意点
现我国在钢管混凝土拱桥设计方面，设有三个理论体系以及章程，分别是中国工程建设标准化协会标准的《钢管拱桥混凝土结构设计与施工规范》（CECS28：90），其设计的计算方法主要通过跳过计算钢管和混凝土之间复杂的弹塑性阶段，从而推导出极限承载力计算公式，并通过套箍系数来作为计算方式的重要参数，从而推导出钢管混凝土的计算公式；其次是，国家建材工业局颁布的《钢管混凝土结构设计与施工规程》（JCJ01－89），其设计的计算方式则是主要通过混凝土本身的结构设计理论的一些公式和形式，根据钢管混凝土构件的试验结果和理论分析建立起一套半经验半理论的计算公式和表格；最后则是中华人民共和国电力行业标准《钢－混凝土组合结构设计规程》（DL5099－97），其设计的计算方式则是将钢管和混凝土统一进行看待，将钢管和
混凝土糅合成为组合材料，但更多根据其中钢结构的设计理论，来整体分析钢管混凝土之间的变化，同样引入套箍系数作为参考因素，计算出钢管混凝土的应力的表达方式，以此来推导出的计算方式。

根据三方面的理论体系，设计中需要书以下六个方面进行比较。

一是混凝土与钢材标准强度，《CECS28：90》规定混凝土的标准强度取值范围为16－28．8，钢材强度的适用范围则是在210－460；《JCJ01－89》规定的混凝土的标准强度的适用范围是16－25．6，钢材强度的适用范围则是在210－460；《DL5099－97》则要求混凝土的标准强度必须大于等于16，钢材强度则严格规定使用Q235和Q345以及Q390三种强度的钢材。

二是含钢率的限制，《CSCS28：90》计算含钢率的取值是通过钢管面积和钢材强度标准值以及混凝土面积和混凝土的抗压强度标准值得到的取值范围在0．3至3之间；《JCJ01－89》和《DL5099－97》则是通过相同的计算方式，分别得出的取值范围是0．04至0．16以及0．04至0．20。

三是径厚比取值的上限，《CSCS28：90》和《JCJ01－89》要求径厚比取值上限是大于等于4毫米，而《DL5099－97》径厚比取值则是在20至100之间。

四是截面抗压承载力的计算方式，《CECS28：90》是通过混凝土的面积、混凝土的设计强度、钢管的面积以及钢管的设计强度来得出的计算公式；《JCJ01－89》则增加了钢管混凝土轴心受压杆件稳定系数和核心混凝土轴心抗压强度提高系数来，从而得出的计算公式；《DL5099－97》则主要通过钢的强度、混凝土强度和含钢率从而得出的计算公式。

五是在极限状态法设计中材料安全系数的取值，三个设计规章在这方面的取值是相同的，都是在1．1－1．2（s）之间。

六是在细长柱的定义与计算值上限值方面，《CSCS28：90》是通过构件的有效长度和圆钢管的直径或方钢管边长的计算，上限值为大于4；《JCJ01－89》和《DL5099－97》都是通过构件的长细比的计算，上限值为大于等于10。

同时三者在构件的计算长度和构件的长细比也都给出了具体的上限值，《CSCS28：90》通过构件的计算长度和圆钢管的直径或方钢管边长的计算，上限值为小于等于20；《JCJ01－89》则给出了具体的取值分别为80（轴压，偏心柱）、120（桁架压杆，组合构件）、150（其他杆件）；《DL5099－97》则要求构件的长细比小于等于150。

3结语
本文通过从材料以及国内三方面的钢管混凝土的设计章程来将钢管混凝土进行具体的分析，可以看出钢管混凝土将钢材与混凝土的优点结合在一起，混凝土在钢材当中处于侧向受压状态，使得混凝土的抗压等级得到提高，同时，混凝土在钢材中也提高钢材的强度。

抗压强度等级和钢材强度的提升，使得钢管混凝土有了很好的承载能力。

同时严格的理论体系，也为钢管混凝土的建筑工艺提供了严格的理论基础以及指导，从而有效帮助钢管混凝土拱桥进行设计。

严格筛选钢管混凝土材料，参考各方面的理论章程，从而推动钢管混凝土拱桥的进一步发展。

参考文献
［1］翟晓春．自预应力钢管混凝土拱桥设计技术研究［D］．重庆交通大学，2010．
［2］陈钦宗．自预应力钢管混凝土拱桥设计技术研究初探［D］．重庆交通大学，2009．
［3］龚建灿．预应力混凝土连续箱梁桥设计与施工研究［D］．浙江大学，2007－01．
［4］张弘涛．大跨度钢管混凝土拱桥设计方法与施工控制［D］．西南交通大学，2006．
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2015年第4期（总第157期）江西建材建筑与规划设计。