鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

摘 要：近年來(lái)，我國(guó)鋼管混凝土拱橋無(wú)論是在理論研究，還是在工程應(yīng)用方面都有了很大的提升。本文就從鋼管混凝土的優(yōu)良特性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及相關(guān)的注意事項(xiàng)方面，簡(jiǎn)要地分析討論鋼管混凝土的拱橋設(shè)計(jì)，供今后的設(shè)計(jì)提供一些參考。

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土拱橋；結(jié)構(gòu)特性；設(shè)計(jì)分析

0 前言

從1990年我國(guó)第一座鋼管混凝土拱橋建成通車到現(xiàn)在，鋼管混凝土拱橋已經(jīng)走過(guò)了二十多年的發(fā)展歷史。現(xiàn)在，這種設(shè)計(jì)的優(yōu)良特性已經(jīng)越來(lái)越顯著的顯現(xiàn)出來(lái)，同時(shí)，在多次橋梁建設(shè)過(guò)程中也積累了許多經(jīng)驗(yàn)。

1 鋼管混凝土拱橋的優(yōu)良特性

鋼管和混凝土，兩者各有利弊。鋼管的剛性很好，但是彈塑性不足，只有鋼管難以滿足多種復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)的需要；混凝土則相反，彈塑性很強(qiáng)，但是剛性不足，缺少鋼管作為支撐的混凝土拱橋的抗壓能力將大打折扣。鋼管混凝土正好在結(jié)構(gòu)上將兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合了起來(lái)。鋼管的加入可以使混凝土處于側(cè)向受壓狀態(tài)，使其抗壓強(qiáng)度成倍提高。同時(shí)由于混凝土的存在，鋼管的剛度提高了，兩者共同發(fā)揮作用，從而大大地提高了承載能力。鋼管混凝土拱橋就是向鋼管內(nèi)填充混凝土，這時(shí)混凝土正好處于三向受壓狀態(tài)，從而使得混凝土的抗壓強(qiáng)度顯著提高。

鋼管還可以作為施工模板，方便混凝土的澆筑。通常在施工過(guò)程中，鋼管可以直接用作承重骨架，因?yàn)殇摴艿闹亓肯鄬?duì)較小，方便拆卸，易于安裝，可在任何環(huán)境下組合搭建。橋梁建設(shè)中有了鋼管的加入，將大大提高工程效率，縮短工程周期。

根據(jù)理論分析和實(shí)驗(yàn)論證，以鋼管混凝土作為材料的拱橋，承載力和抗震性能大大提高。按混凝土規(guī)范的相關(guān)計(jì)算公式可以知道，兩者的結(jié)合，較鋼管和混凝土分別的承受力總和要提高110到220倍的范圍之間。這種巧妙的結(jié)合在力學(xué)構(gòu)造上也具有非常大的優(yōu)點(diǎn)，由于鋼管混凝土拱橋具有處于三向受壓狀態(tài)的特點(diǎn)，因此抗壓能力相應(yīng)提高。根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，鋼管混凝土軸向壓縮到原長(zhǎng)的3/4，軸向表面已經(jīng)被破壞，但是仍然具有一定的載重能力，顯而易見可以抵御一定程度的自然災(zāi)害。在橋身被壓彎的情況之下，水平力與位移之間的滯回曲線處于十分飽和的狀態(tài)，吸能能力相當(dāng)好，硬度退化削減的現(xiàn)象幾乎沒有出現(xiàn)，抗破壞的能力相當(dāng)強(qiáng)大。

2 鋼管混凝土拱橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋼管混凝土拱橋簡(jiǎn)稱CFST拱橋，在設(shè)計(jì)初期，首要考慮的是橋梁的功能性作用。通過(guò)調(diào)研使用率、車流量等等，進(jìn)而決定橋梁的建筑規(guī)模和承重結(jié)構(gòu)。規(guī)模根據(jù)其主跨徑和矢跨比的不同可分為大中小跨徑橋梁。一般來(lái)說(shuō)常用跨徑在80～280m的范圍內(nèi)，常用矢跨比為1/5～1/4。鋼管混凝土拱橋主要由拱肋、立柱或吊桿、橫撐、行車道系、下部構(gòu)造等部分組成。拱肋的截面形式主要有六種，根據(jù)不同規(guī)格的橋梁，采用不同的截面形式。像對(duì)于大跨徑的拱橋來(lái)說(shuō)，用格構(gòu)式的截面形式較好，這樣一來(lái)，可以充分利用鋼管混凝土材料，同時(shí)還保證了整座橋梁受力的充分性以及完整性。在拱肋施工時(shí)，首先分段加工鋼管，然后現(xiàn)場(chǎng)拼裝鋼管拱，接著向管內(nèi)灌注混凝土，一道道工序按部就班完成下來(lái)，最后形成鋼管混凝土拱橋。

通過(guò)對(duì)拱橋橫向聯(lián)系構(gòu)造的分析，來(lái)決定采用哪一種方式的橫撐。在橋面以下，K式和X式兩者皆可，一方面，K式和X式的橫撐具有足夠的支撐力，保證橋梁上方行駛的安全性，并且保證河道的安全暢通，另一方面，這種設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔大方。也有在橋面以下不設(shè)橫撐的情況，在穩(wěn)定性能夠滿足要求的前提下，若橋梁自身構(gòu)造可以滿足一定的支撐力，那么橫撐將沒有存在的必要，而且還可以節(jié)省原材料。橫撐的設(shè)置也有講究，通過(guò)分析，橋梁中央即拱頂處的受力是最大的，因此此處通常采用穩(wěn)定性最優(yōu)的材料作為橫撐，然后以此橫撐為對(duì)稱中心線，兩邊依次設(shè)置等數(shù)量的橫撐來(lái)均衡受力，達(dá)到受力平衡。這樣的橫撐布置能顯著地提高拱肋的穩(wěn)定系數(shù)。

在節(jié)點(diǎn)構(gòu)造上，當(dāng)鋼管的構(gòu)件受到擠壓時(shí)，必須保證基本構(gòu)件不受破壞而對(duì)橋梁產(chǎn)生影響，多年施工經(jīng)驗(yàn)下編寫的規(guī)范中有幾種具體的鋼管對(duì)接方式，選擇要視具體情況而定。在填充時(shí)，要注意混凝土的配合比，防止因過(guò)稀導(dǎo)致管內(nèi)空隙太大，或者過(guò)濃對(duì)鋼管產(chǎn)生擠壓性破壞。

3 鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)過(guò)程中的注意事項(xiàng)

在設(shè)計(jì)初期就要考慮到后期使用的長(zhǎng)久性。在現(xiàn)如今的橋梁建筑中，有一個(gè)全壽命周期過(guò)程的概念。全壽命周期過(guò)程是指，在設(shè)計(jì)階段就考慮到產(chǎn)品壽命歷程的所有環(huán)節(jié)，將所有相關(guān)因素在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)分階段得到綜合規(guī)劃和優(yōu)化的一種設(shè)計(jì)理論。全壽命周期設(shè)計(jì)意味著，不僅僅要完成好整個(gè)工程的設(shè)計(jì)，而且要考慮到后續(xù)的使用與后期的維護(hù)，這涉及到損壞、檢查、修護(hù)、再循環(huán)利用的過(guò)程。因此，橋梁的全壽命設(shè)計(jì)方法可以定義為綜合統(tǒng)籌考慮橋梁壽命周期的主要階段，均衡考慮各方面問(wèn)題，通過(guò)成本分析尋求安全性、耐久性、美觀性，是一個(gè)基于全壽命周期過(guò)程的概念。施工的前中后期都要面面俱到，安全性要達(dá)到規(guī)范要求，成本控制在合理范圍內(nèi)，對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境無(wú)不良影響。比如，鋼管混凝土拱橋必須考慮鋼管拱肋、系桿、吊桿和其它金屬結(jié)構(gòu)的防腐措施，應(yīng)配合設(shè)計(jì)充分考慮吊桿和系桿的維修、更換等措施，以保證橋梁結(jié)構(gòu)在運(yùn)營(yíng)期間的安全性和耐久性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)鋼管混凝土拱橋的優(yōu)良特性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及注意事項(xiàng)三方面的簡(jiǎn)要分析，可以看出鋼管混凝土拱橋是實(shí)際建設(shè)過(guò)程中可操作性非常強(qiáng)的一種橋梁，多年的經(jīng)驗(yàn)和理論成果也可以證明優(yōu)秀的鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)能夠簡(jiǎn)化施工工藝，縮短施工工期，提高橋梁的使用壽命。在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中，嚴(yán)格按照鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)的相關(guān)章程及標(biāo)準(zhǔn)，靈活根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行修正變通，合理地按實(shí)施步驟進(jìn)行施工，將理論與實(shí)際相結(jié)合，及時(shí)整理相關(guān)操作經(jīng)驗(yàn)，為我國(guó)鋼管混凝土拱橋的進(jìn)一步發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]翟曉春.自預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)技術(shù)研究[D].重慶交通大學(xué)，2010.

[2]陳寶春，楊亞林.鋼管混凝土拱橋調(diào)查與分析[J].世界橋梁，2006（02）.

[3]陳金龍，喬建東.下承式鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)研究[J].公路交通技術(shù)，2010（02）.

[4]李瑜.鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)理論中若干問(wèn)題研究[D].湖南大學(xué)，2010（03）.

[5]呂建英.大跨度鋼管混凝土拱橋施工技術(shù)研究[J].山西建筑，2012（02）.