组合结构设计

钢管混凝土拱桥应用及其未来发展

摘要：钢管混凝土拱桥具有承载能力强、施工方便、桥型优美、经济效益显著等特点，因此在大跨桥梁和城市桥梁中得到了广泛的应用。本文介绍了钢管混凝土拱桥的理论研究现状及应用，对其发展优势及发展中存在的问题进行了分析，最后展望了钢管混凝土拱桥的发展趋势。

关键词：钢管混凝土钢管混凝土拱桥应用现状发展

Application of steel tube concrete arch bridge and its future development Abstract:Concrete filled steel tubular arch bridge is carrying capacity,convenient construction,concinnity, economic benefits significant characteristics,so in the large span bridge and urban bridge has been widely used. This paper introduces the current situation and application of the theoretical research on the concrete filled steel tube arch bridge,analyzes the development advantages and problems in the development,and finally looks forward to the development trend of the steel tube concrete arch bridge.

Keywords:concrete filled steel tubular arch bridge development present situation

引言

随着英国赛文铁路桥的桥墩首次采用钢管混凝土这种组合材料以来，国内外的专家学者对这种组合材料性能的研究一直没有停止过。随着研究的不断深入，施工工艺的大幅度改进，工程应用日益广泛，高层建筑、工业厂房、桥梁及港口工程中均有应用，特别在桥梁上的应用更加突显了其优越的力学特性。据2005年年初统计，建成中等跨度以上的钢管混凝土拱桥多达230座，其发展速度之快,为中外建桥史所罕见。

1.钢管混凝土的基本原理

钢管混凝土,英文简称CFST，它是将高强混凝土灌入薄壁圆钢管内而形成的组合结构材料,利用在一般的工作状态下,2种不同力学性能的材料产生相互作用,即紧箍力来协调工作。这种材料具有承载力高、塑性韧性好、施工方便、耐火性能和经济效果好等优点，工程上常应用于房屋建筑结构和桥梁结构中，其中在桥梁上主要应用于拱桥。钢拱桥结构中，拱座是上部钢结构与下部混凝土承台和基础的连接节点，又是主桥上部结构安装的起点，关系到整个结构的安全和可靠性。

2.钢管混凝土的工作特性

在此以工程中使用最多的圆形钢管混凝土短柱为例来介绍钢管混凝土的工作原理,如图所示。

钢材在弹性工作阶段,泊松比μs变化很小,在0.25～0.3之间,可以认为是常数。取μ

s=0.283而混凝土的泊松比μc在受力过程中是不断变化的。由低应力状态下的0.167左右逐渐增大到0.5,当接近破坏阶段时,由于混凝土内部纵向微裂缝的发展,将超过0.5。对于钢管混凝土而言,在轴压力的作用下,μc逐渐增大,并且迅速地超过钢材的泊松比μs。当μs=μc时,钢管和混凝土的径向变形一致,相互间没有紧箍力存在;当μs<μc,钢管限制了混凝

土的径向变形,根据变形协调关系,相互间产生紧箍力;当μs>μc时,此时钢管已进入塑性

屈服阶段,相互间作用力只剩下粘结力。由于紧箍力的存在,使得钢管与混凝土处于三向受力状态,混凝土在三向压应力作用下,其工作性能发生了质的变化,不但提高了承载力,而且还

增大了其极限压应变;在轴心压力作用下,薄壁钢管的承载力是极不稳定的,实验证明,钢管

实际承载力往往是理论计算值的1/3～1/5。当在钢管内浇筑混凝土并达到一定强度后,混凝土保证了薄壁钢管的局部稳定,反过来,钢管又约束混凝土的径向变形,使它处于三向受压应力状态,延缓了受压时的纵向开裂,从而提高了钢管混凝土构件的承载力。因此,钢管混凝土作为一种组合材料,具有独特的工作特性:弹性工作而塑性破坏,承载力高而极限压缩变形大。其应力应变关系近似于钢材的性能。

3.钢管混凝土的计算理论

目前就钢管混凝土的研究取得重大的成果,形成了多种理论,一批有代表性的著作相继出版,并在这些理论基础上制定了相应的规程。而钟善桐教授等人在大量试验和有限元计算的基础上提出的统一理论较好的反映出钢管混凝土组合材料的工作状况。统一理论认为:钢管混凝土为统一的一种组合材料,用构件的整体几何特性(全截面面积和抵抗矩等)和钢管混凝土的组合力学性能指标来计算构件的各项承载力,不再区分钢管和混凝土。众所周知,构件的工作性能,除与受力状况有关外,还随着材料的物理参数、构件的几何参数和截面形式,以及构件的应力状态的改变而改变,且变化是连续的、相关的,这样就可得到钢管混凝土构件从单项受力状态到多项复杂受力状态用统一的计算参数和公式来表达。在此理论上提出了钢管混凝土构件各种力学参数的计算公式,并制定了相应的规范,方便了钢管混凝土结构的设计;在动力性能方面,建立循环荷载作用下钢管混凝土组合材料的本构关系,提出了简化的两折线模型和三折线模型。

4钢管混凝土的应用与发展

钢管混凝土拱桥有两大类：一种是内填型钢管混凝土拱桥，其钢管管壁外露，结构含钢率较高，可以充分利用钢管混凝土这种组合材料抗压强度高、抗冲击能力强的特点。钢管作为核心混凝土浇筑过程中的末班和支架，方便了施工，更重要的是其增大了跨越能力，各个时期典型的代表桥如表1所示：

另一种是内填外包型钢管混凝土拱桥，它主要解决大跨度拱桥的拱助安装问题，首先架设自重轻，强度、刚度均较大的钢管骨架，然后在空钢管内浇筑混凝土，再在钢管混凝土骨架外挂模板浇筑外包混凝土，形成钢筋混凝土结构，这种结构常称为“劲性骨架混凝土”。在