摘要：在橋梁建筑施工工程中，鋼管混凝土的施工主要以拱橋?yàn)橹鳌Ｒ蚱鋸?qiáng)度高、跨越能力大、施工便捷、經(jīng)濟(jì)效果好、橋型美觀等優(yōu)點(diǎn)在我橋梁中得到了廣泛應(yīng)用。本文介紹了鋼管混凝土拱橋的應(yīng)用及理論研究現(xiàn)狀，對(duì)其發(fā)展優(yōu)勢(shì)發(fā)展中存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析，最后展望了鋼管混凝土拱橋的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：橋梁施工；鋼管混凝土；拱橋

1.引言

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是由混凝土填入薄壁鋼管內(nèi)而形成的一種組合結(jié)構(gòu)，其基本原理是借助鋼管對(duì)核心混凝土的套箍約束作用，使核心混凝土處于三向受壓狀態(tài)，從而使核心混凝土具有更高的抗壓強(qiáng)度和更強(qiáng)的塑性變形能力。鋼管混凝土除具有強(qiáng)度高、重量輕、延性好、耐疲勞、耐沖擊等優(yōu)越的力學(xué)性能外，還具有省工省科、架設(shè)輕便、施工快速等優(yōu)越的施工性能。理論研究和工程應(yīng)用表明，鋼管混凝土拱橋在設(shè)計(jì)、施工、經(jīng)濟(jì)以及美觀上都有其獨(dú)特的優(yōu)越性。

2.鋼管混凝土構(gòu)件材料特點(diǎn)

2.1組合材料是鋼管內(nèi)填混凝土，在一般正常工作狀態(tài)下，兩種不同力學(xué)性能的材料產(chǎn)生相互增強(qiáng)的作用力，即緊箍力來(lái)協(xié)調(diào)工作。鋼管混凝土在低應(yīng)力，軸壓力和粘結(jié)力三向壓應(yīng)力作用下，其工作性能發(fā)生了質(zhì)的變化，不但提高了承載力，還增大了極限壓縮應(yīng)變；在軸心壓力作用下，薄壁鋼管的承載力是極不穩(wěn)定的。實(shí)驗(yàn)證明，鋼管混凝土作為一種組合材料具有獨(dú)特的工作特性，彈性工作而塑性破壞，承載力高而極限壓縮變形大。其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系接近于鋼材的性能。

2.2試驗(yàn)表明， 鋼管混凝土柱破壞時(shí)可以壓縮到原長(zhǎng)的2/ 3， 整個(gè)構(gòu)件呈現(xiàn)塑性破壞的特征，所以這種構(gòu)件在承受沖擊和振動(dòng)荷載時(shí)，具有很好的變形能力和變形后的恢復(fù)能力，由這種構(gòu)件組成的結(jié)構(gòu)體系就具有較好的動(dòng)力性能，在地震荷載和風(fēng)荷載作用下，表現(xiàn)良好的穩(wěn)定性。再者，鋼管混凝土有利于采用高強(qiáng)度材料，近年來(lái)高強(qiáng)混凝土的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但是，混凝土強(qiáng)度越高，其脆性破壞越嚴(yán)重，這就限制了高強(qiáng)混凝土的應(yīng)用，只有在三向受力狀態(tài)下，才能防止混凝土的脆性爆裂，而鋼管混凝土就有這樣的優(yōu)點(diǎn)。

3.用于拱結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

3.1拱橋的拱肋是以受壓為主的構(gòu)件， 其穩(wěn)定性問(wèn)題較為突出； 在大跨度橋梁中， 一般采用高強(qiáng)度材料， 而橋梁跨度的增加， 就要求提高其抗振能力， 從而要求結(jié)構(gòu)具有較好的延性和恢復(fù)性能。不僅如此， 鋼管混凝土拱橋可以大大減小橋梁的自重， 還可以很大程度上改善大跨度拱橋中抗風(fēng)能力和抗震能力。大跨度鋼筋混凝土拱橋雖然可以采用空心拱肋構(gòu)件， 但其截面的外形尺寸較大， 阻風(fēng)面積大， 從而所受風(fēng)荷載大， 其側(cè)向穩(wěn)定性差； 而用鋼管混凝土材料， 拱肋可以根據(jù)需要做成合理型式的格構(gòu)式曲桁架結(jié)構(gòu)， 同時(shí)獲得所必須的結(jié)構(gòu)剛度， 在保證構(gòu)件的整體穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上， 使拱肋結(jié)構(gòu)通透， 阻風(fēng)面積小， 所受風(fēng)荷載減小， 從而改善其橫向穩(wěn)定性能。

3.2計(jì)算機(jī)和有限元方法在橋梁結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用和發(fā)展， 使高度復(fù)雜結(jié)構(gòu)和其在復(fù)雜的荷載作用下的力學(xué)性能的計(jì)算成為可能， 并可以獲得較高的精度， 從而對(duì)鋼管混凝土拱肋格構(gòu)結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)性能得到可靠的計(jì)算和分析， 保證設(shè)計(jì)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。鋼管混凝土拱橋有如下幾點(diǎn)特征：

3.1.1拱橋面內(nèi)振動(dòng)的自振 基頻較面外大， 但很接近。表明結(jié)構(gòu)的面外的剛度已接近面內(nèi)的剛度， 從而反映其在橫向有足夠的安全度。

3.1.2拱橋的面內(nèi)基頻在0. 655～ 1. 602Hz 之間，換算自振周期為1. 527～ 0. 625s， 超過(guò)一般單孔剛性結(jié)構(gòu)的0. 3～ 0. 4s 的自振周期， 說(shuō)明鋼管混凝土拱橋?qū)儆谳^柔性的結(jié)構(gòu)， 當(dāng)跨度加大時(shí)， 構(gòu)造上要采取相應(yīng)的措施， 同時(shí)在動(dòng)力分析中要考慮高階振型的影響。

3.1.3人體對(duì)振動(dòng)比較敏感的頻率范圍是2～6Hz。人體在橋上時(shí)， 一般不會(huì)感到明顯的振動(dòng)， 從而可以保證橋梁運(yùn)營(yíng)時(shí)的舒適度。

4.拱橋的施工特點(diǎn)

4.1阻礙橋梁向大跨度方向發(fā)展的一個(gè)最主要的難題就是大跨度橋梁的施工問(wèn)題。這種困難主要來(lái)源于兩個(gè)方面： 施工控制和施工工藝， 施工控制隨著施工工藝的不同而不同， 而施工控制又保證施工工藝的順利進(jìn)行。由于大跨度橋梁在施工過(guò)程中， 結(jié)構(gòu)的受力體系是不斷轉(zhuǎn)換的， 在施工中將產(chǎn)生內(nèi)力和變形， 并且這些內(nèi)力和變形是不斷變化的， 在施工中控制體系的內(nèi)力和變形是個(gè)復(fù)雜的施工力學(xué)問(wèn)題；而構(gòu)件的吊裝或澆筑， 由于大跨度橋梁作業(yè)量大， 作業(yè)范圍廣， 因此要求較先進(jìn)的施工工藝。在拱橋的施工中常采用自架設(shè)施工方法。

4.2自架法， 就是在施工中把橋梁上部結(jié)構(gòu)分成若干組成部分， 按多個(gè)施工階段拼裝或澆筑起來(lái)， 而先完成的結(jié)構(gòu)部分為下一施工階段的運(yùn)輸和架設(shè)提供支撐體系， 直到全橋的完成。自架設(shè)體系可以大大減少施工設(shè)備和臨時(shí)設(shè)施的費(fèi)用， 縮短施工工期。

4.3鋼管混凝土拱橋有兩類(lèi)， 一種是鋼管外露的， 鋼管以參與結(jié)構(gòu)受力為主， 同時(shí)也是施工過(guò)程中的支架和澆筑管肉混凝土的模板， 成橋過(guò)程先合攏鋼管骨架， 再澆筑管內(nèi)混凝土形成主拱圈； 另一種鋼管以施工受力為主， 當(dāng)然也參與成橋的受力， 成橋過(guò)程是先合龍鋼管骨架， 然后澆筑管內(nèi)混凝土形成鋼管混凝土勁性骨架， 再將鋼管混凝土勁性骨架作為埋置式拱架澆筑外包混凝土， 形成主拱圈。在整個(gè)施工過(guò)程中， 除了在鋼管的吊裝階段， 結(jié)構(gòu)的受力體系一直是不變的， 而在鋼管吊裝中， 由于鋼管自重輕， 強(qiáng)度和剛度大， 因此可以較好的進(jìn)行施工控制。

5.拱橋造型藝術(shù)

5.1鋼管混凝土拱橋不僅在力學(xué)上有其優(yōu)越性， 在拱橋的設(shè)計(jì)造型上也有無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)。長(zhǎng)期以來(lái)， 特別是在我國(guó)， 由于經(jīng)濟(jì)上的原因， 橋梁設(shè)計(jì)往往只是考慮功能上的要求， 而不考慮橋梁美學(xué)這個(gè)問(wèn)題。拱橋是個(gè)極富美感的橋型， 在我國(guó)有著悠久的歷史， 有很強(qiáng)的民族特色。但傳統(tǒng)的石拱橋和鋼筋混凝土拱橋在大跨度拱橋中無(wú)法體現(xiàn)拱橋的美感， 這種大跨度拱橋的側(cè)向剛度一般較小， 橫向穩(wěn)定性差， 為了彌補(bǔ)這方面的缺點(diǎn)， 只有把拱肋構(gòu)件的截面做大， 而這樣使拱橋顯得笨重。

5.2在橋梁美學(xué)上表現(xiàn)在以下方面：（1）拱橋的主要受力構(gòu)件是拱肋， 而弧形的拱肋線(xiàn)條簡(jiǎn)潔流暢， 優(yōu)美纖細(xì)， 使整個(gè)橋梁顯得輕盈、簡(jiǎn)潔； 吊桿的重復(fù)布置， 多肢拱肋的各種弦桿， 使橋梁具有動(dòng)感變化的韻律和節(jié)奏； 大跨度的拱肋不僅有跨度， 還有高度， 極富有力度， 使橋梁顯示一種生機(jī)勃勃的氣質(zhì)和雄偉壯觀的氣勢(shì)， 從而使橋梁充滿(mǎn)生命感、充實(shí)感和穩(wěn)定感。 （ 2） 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的材料強(qiáng)度高， 穩(wěn)定性好，因此， 在拱橋造型上以及拱肋的布置上可以追求多樣化。這樣， 可以根據(jù)功能和環(huán)境的不同采用不同的橋型和拱肋布置， 使拱橋在滿(mǎn)足功能的要求上， 與拱橋所處環(huán)境相協(xié)調(diào)， 從而使拱橋更具美感。

6.結(jié)語(yǔ)

對(duì)鋼管混凝土的研究， 雖然在我國(guó)起步較晚， 但發(fā)展迅速， 制定了多種應(yīng)用規(guī)范， 已處于世界領(lǐng)先地位， 這種堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)將為鋼管混凝土拱橋的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 蔡紹懷.現(xiàn)代鋼管混凝土結(jié)構(gòu)（修訂版）[M ].北京：人民交通出版社，2007.

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

[3]鐘善桐.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)（第3版），北京：清華大學(xué)出版社，2003

[4]盛洪飛. 橋梁建筑美學(xué). 人民交通出版社， 1999