淺談鋼管-鋼管混凝土復合拱橋的性能

李 靜

（太原理工大學建筑與土木工程學院，山西 太原 030024）

1 概述

拱橋作為橋梁工程的基本結構體系之一，具有悠久的使用歷史，古今中外著名的拱橋遍布世界各地，在橋梁建筑中占有重要地位。在橋梁發展的漫長歲月里，拱橋也經歷了數千年的風雨洗禮但卻依舊保持著自身的光彩。與此同時，橋梁的建造材料也逐漸豐富起來，新型建造材料在拱橋上的應用和大跨空間結構的興起賦予了拱橋更廣闊的發展空間，因此，在橋梁結構形式異常豐富的今天，拱橋這種古老的橋梁形式依舊受到橋梁建造者的青睞。

2 鋼管-鋼管混凝土復合拱橋的提出

橋梁結構總是伴隨著新型結構形式和新材料的產生而不斷發展進步的。按照主拱結構的主要建造材料，拱橋可以分為石拱橋、鋼拱橋、混凝土拱橋和鋼管混凝土拱橋[1]。隨著橋梁結構的發展對橋梁結構提出了更高的性能要求，鋼管結構橋梁由于良好的性能得到了不斷改進，從空鋼管結構到鋼管混凝土結構都是橋梁結構的主要形式之一。

空鋼管拱橋和鋼管混凝土拱橋有著各自的特性，但是也對于空鋼管拱橋來說，結構自重輕、水平推力相對較小、結構表現力豐富、跨越能力大、施工簡單，但是穩定性不好，尤其是橫向穩定性更是結構設計時最難解決的問題，除此之外與鋼管混凝土拱橋相比其結構強度相對較低；鋼管混凝土拱橋由于管內混凝土的填充作用增大了構件的剛度，同時可以相對地減小結構的用鋼量，尤其適宜面內受力承載可以充分發揮鋼管混凝土良好的抗壓性能，然而當結構承受橫向力時，拱肋改變了以往以受壓為主狀態，不僅不能發揮結構抗壓強度大的優點，而且管內混凝土的質量還加大了拱的橫向受力，對拱的橫向穩定和橫向抗震性能產生了不同程度的不利影響[2]，結構的跨徑越大，橫向穩定問題就越突出，此外目前不管是在理論基礎還是施工工藝上都尚未有很好的方法解決，由于管內混凝土特別是拱頂端混凝土收縮引起的不密實問題。基于以上原因以及在國外有關復合拱橋建造實踐的啟發并吸收借鑒了國外鋼管拱的修建經驗的基礎上，福州大學陳寶春教授在對鋼管混凝土拱橋的應用進行了大量的研究工作后提出了一種新型的結構-鋼管-鋼管混凝土復合拱橋結構。我國第一座采用鋼管與鋼管混凝土復合拱橋概念設計的試驗橋是福鼎市山前大橋。

3 鋼管-鋼管混凝土復合拱橋的靜、動力性能[3，4，5]

鋼管與鋼管混凝土復合拱橋為了在減小結構自重的基礎上提高拱肋的橫向穩定性，同時避開了拱頂段管內混凝土不密實的所帶來的問題，僅在拱肋的拱腳段充填混凝土，其余部分仍為空鋼管,不僅降低了結構的重心，而且減小了橫向地震作用力。對于鋼管-鋼管混凝土復合拱橋結構來說，混凝土填充長度對結構的靜力及動力性能都有著明顯的影響。

福州大學韋建剛等應用經實橋測試驗證的有限元模型，以管內混凝土填充長度系數α為參數，對鋼管-鋼管混凝土復合拱的性能進行了分析結果表明：從結構的極限承載力來看，結構的極限承載力受到管內混凝土填充長度系數α的影響較小，但是拱腳處截面的受力則會受到較為明顯的影響，且α＞1/6時可以有效地減小拱腳處彎矩，特別是當α=1/4時能較好地改善結構截面在橫向地震作用下的受力性能，有效地減小截面的軸力和彎矩水平。從結構的變形角度來看，結構的撓度值對管內混凝土填充長度的變化反應明顯，當α=1/4時最經濟合理。從彈性穩定方面來看，管內混凝土填充長度的變化雖然對結構的失穩模態不會帶來改變，但是卻會影響結構失穩的穩定系數，當α=1/4時穩定系數較大，彈性穩定性能最好，當α＞1/4反而會降低拱的穩定性能。綜合考慮以上有關管內混凝土填充長度系數α對結構內力與應力、極限承載力、撓度和彈性穩定等方面的分析結果可以看出，鋼管—鋼管混凝土復合拱肋管內混凝土以填充至L/4處時較為合適，此時結構的靜力性能最好。

福州大學孫潮等以山前大橋為例，分析拱腳段鋼管混凝土的長度、截面參數和風撐對其動力特性的影響，結果表明，管內混凝土填充長度系數α對其動力性能有一定影響，尤其證明了當管內混凝土長度系數α=1/4比鋼管混凝土拱橋的動力性能要好，這是因為鋼管混凝土拱橋結構相對于當管內混凝土長度系數α=1/4時拱肋重心大大提高。所以，結構設計時在拱肋能夠滿足面內承載力的強度要求的情況下不必過分增加管內混凝土填充長度；通過對比不同風撐形式下結構的動力性能得到風撐對于復合拱結構的動力影響并不顯著，對結構的高階自振特性有一定的影響，而對低階自振頻率無太大的影響；對比管徑各項參數的影響發現，與增加壁厚相比結構的動力性能對于管徑變化的反應更加明顯。因此，在設計鋼管—鋼管混凝土復合拱橋時應綜合考慮各種因素，在滿足面內承載力和剛度要求的前提下，盡可能地減小管內混凝土填充長度，并應通過計算比較確定合理的風撐布置形式。除此以外，相關的學者通過采用不同的分析方法對復合拱橋的受力性能進行研究，也表明了鋼管-鋼管混凝土復合結構相對于鋼管混凝土拱結構具有自重輕、穩定性好等優點。

4 結束語

隨著橋梁結構的進一步發展，鋼管與鋼管混凝土復合拱橋作為一種新型的橋梁結構以其良好的受力性能必將成為具有發展前景的橋型結構之一。當結構管內混凝土填充系數α=1/4時，結構的靜、動力性能均較好，因此建議在結構設計時可以得到較好的受力性能管內混凝土以填充至L/4處，在鋼管與鋼管混凝土相接處，截面應變值有明顯的突變現象，空鋼管部分受力處于不利狀態，其應力控制應成為設計工作中的重點。

[1]陳寶春.拱橋技術的回顧與展望[J].福州大學學報，2009.

[2]陳寶春，陳友杰，劉玉擎.鋼管與鋼管混凝土復合拱橋[J].橋梁建設.2001.

[3]韋建剛等.鋼管-鋼管混凝土復合拱橋靜力性能研究[J].福州大學學報.2006.

[4]孫潮等.鋼管-鋼管混凝土復合拱橋動力特性分析[J].地震工程與工程振動.2001.

[5]韋建剛等.鋼管-鋼管混凝土復合拱橋橫向受力性能分析[J].哈爾濱工業大學學報.2005.