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桥 梁 铁路桥梁钢管混凝土结构基本设计参数研究 徐 升 桥 ( 中铁 工程设计咨询集团桥梁工程设计研究院 ，北京1 0 0 0 5 5 ) 摘 要： 桥梁结构具有跨度 大、 承受活载 的特 点 。 叠加 法能较 好 地反映大跨度钢 管混凝土拱桥 施工和运 营过程钢管、 混凝土应 力 变 化 以及 结构 位 移 变 化 的 情 况 。 在 钢 管 混 凝 土桥 梁 结 构 设 计 中 ， 钢 管 混 凝 土 截 面 的轴 压 强 度 、 徐 变 终 极 系 数 、 轴 压 刚 度 、 抗弯刚度等是基本的设计参数 ， 通过分析典型钢 管混凝 土桥 梁 的长期测试 资料和钢管混凝土结构统一理论的研究成果 ， 对以 上关键 参数 结合铁路桥梁工程 的技 术特 点进 行 了研究 ， 推 导 了 叠加法设计公式的相 关参数。 关键词 ： 铁路桥 梁 ；钢 管混凝土 ；轴压强度 ；徐 变；刚度 中 图 分 类号 ： U 4 4 8 3 8 文献 标 识 码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 4 2 9 5 4 ( 2 0 1 1 ) 0 3 0 0 5 2 0 3 1 概 述 钢管混凝 土结构 的计算 分析 方法主 要有叠 加法 和 合成法 ( 统一理 论 ) 两类 ， 两 种 方法 都可 以考 虑钢 管混凝 土构件 的套箍 效应 ， 在设计 中各有 其优缺 点 。 合成法采 用钢 管混 凝 土统 一 理 论 ， 且 有 大 量 的研 究成 果 ， 可直 接进行 构 件设 计 ， 公 式 形 式简 单 、 概念 清 晰 ， 最近出版的建筑行业设计与施 工技术规程均基于 合成 法 。 与建筑结 构相 比， 桥 梁结构具 有跨 度大 、 承受活载 的特 点 ， 叠加 法符合 桥梁 工程师 的设计 习惯 ， 可 较好地 反映 大跨度钢 管混 凝土 拱 桥施 工 和 运 营过 程 钢 管 、 混 凝土 应力变化 以及 结构 位 移 变化 的情 况 ， 便 于 设 计者 开展 总体性桥梁结构分 析， 确保工程 的使用与安全 性能 。 目前钢 管混凝 土结 构 在 我 国公 路 、 铁路 桥 梁 建设 中已得到大量 的应 用 ， 为 了充 分利 用 建 筑行 业 的研究 成果 ， 有必要 对钢 管混凝 土结构 的强度 、 刚度参 数进 行 相应 的研究 ， 为制 订铁 路 桥梁 结 构 的设 计 规 范提 供 必 要 的技术依 据 。 有关符 号 ： 一 钢 的屈 服强度 ； 一 混凝 土的标 准强度 ； 一 钢材轴 向容许 应力 ； 一 混凝 土 中心受 压容许 应力 ； E 一 钢材 弹性模 量 ； 收稿 13 期 ： 2 0 1 01 2 1 3 基金项 目： 铁道部科技开发计划项 目( 2 0 0 9 G O 0 3一F ) 作者简介： 徐升桥 ( 1 9 6 6 一 ) ， 男 ， 教授级 高级 工程师 ， l 9 9 1年毕业 于长 沙铁道学 院土木工程系桥梁工程专业 ， 工学硕士。 E 混凝 土 弹性模量 ； A 一钢 截面积 ； 一 混凝土 截面积 ； ， 一 钢抗 弯惯矩 ； ， 一 混凝土抗 弯惯矩 。 2轴 心抗压强 度 2 1 计 算方 法 叠加 法计算 公式 容许 屈服轴 压力 N=A 。 。 +C A ( 1 ) 屈服 轴压力 N = A Z +c 2 A ( 2 ) 合成 法计算公 式 容许 屈服轴 压力 N=( A +4 ) ( 1 1 4+1 0 2 ) ( 3 ) 屈 服轴压力 N =( A 十A ) ( 1 1 4+1 o 2 ) L ( 4 ) C 0=1 1 4+1 0 2 ( 5) 比较公式 ( 1 ) 、 ( 3 ) ， 可得 C 。 =( 1+ ) C 0一 ( 6 ) 比较 公式 ( 2 ) 、 ( 4 ) ， 可 得 ： C 2=( 1+O ) C 0一 ( 7 ) 其 中 = A A 为钢 管混凝 土截 面的含钢 率 B = ， l c y = J = 为钢 管混凝 土截 面的套箍 系数 通过合成法的计算公式可以导出叠加法公式的计 算参数 ， 美 国规 范 A I S C 3 6 0 0 5也 按 此 思路 进 行 钢 管 混凝土轴心受压构件承载力计算 ， 且规定 C = 0 9 5 。 按 ( 6 ) 、 ( 7 ) 式计算的钢管混凝土构件 c 、 c 值见 表 1 、 表 2。 表 1 钢管混凝土容许轴压力 计算参数 C 含钢 Q Z 3 5 q Q 3 4 5 q Q 3 7 O q Q 4 2 O q 率 C 4 0 C 5 0 C6 0 C 4 0 C5 0 C6 0 C 4 0 C 5 0 C6 0 C 4 0 C 5 0 C6 0 O O 5 1 0 4 1 0 7 1 0 9 0 9 6 1 0 0 1 0 3 0 9 6 1 0 0 1 0 4 0 9 7 1 01 1 0 4 0 1 0 0 9 8 1 0 3 1 0 7 0 8 4 0 9 2 0 9 7 0 8 5 0 9 3 0 9 8 0 8 7 0 9 4 0 9 9 0 1 5 0 9 7 1 0 3 1 O 8 0 7 8 0 8 8 0 9 5 0 81 0 9 0 0 9 7 0 8 5 0 9 4 1 0 0 0 2 0 1 0 0 1 0 7 1 1 2 0 7 9 0 9 0 0 9 8 0 8 3 0 9 4 1 01 0 9 2 1 0 0 1 0 6 5 2 铁道标准设计R A I L W AY S T A N D A R D D E S I G N 2 0 1 1 ( 3 ) 徐升桥一 铁路桥梁钢管混凝土结构基本设计参数研究 表 2 钢管混凝土屈服轴压力 计算参数 c 2 含钢 Q 2 3 5 q Q 3 4 5 q Q 3 7 O q Q 4 2 O q 率 “ C 4 0 C 5 0 C6 0 C4 0 C5 0 C6 0 C 4 0 C5 0 C6 0 C 4 0 C 5 0 C 6 0 1 2 3 1 3 8 1 5 8 1 8 4 由上表 可 以看 出 ， C 、 C ：的取 值 与 含 钢率 、 钢 材 种 类 、 混 凝土强 度 等级 有关 ， 与 美 国规 范 相 比 ， 本 文 的 计 算 方法 更合理 、 安 全 。 2 2 截 面有 限元 分析 为 了验证 以上 计算 方 法 ， 利用 材 料 非 线 性 有 限元 分 析程序 ， 分 别按 照钢 、 混凝 土 的应力应 变 曲线建 立计 算分 析模 型 ， 计 算其 屈 服轴压 力 和极 限轴压 力 ， 模 型 由 Q 3 4 5 q 1 2 0 0 mm 4 6 mm 钢 管 、 C 5 0混 凝 土组 成 ， 为 大瑞 铁路 澜沧 江特 大桥 拱顶劲 性 骨架截 面 。 有限元 计算 结果 如 图 1所 示 ， 钢 管 混 凝 土结 构 具 有 与 钢 结 构 相 近 的 延 性 性 能 ，屈 服 轴 压 力 为 7 6 7 1 0 k N、 极 限 轴 压 力 为8 9 7 0 0 k N， 而 按 ( 1 ) 、 ( 2 ) 式 分别计 算 的 容 许 、 屈 服 轴 压 力 为3 0 3 2 3 、 7 5 5 5 3 k N， 二 者屈 服强度 吻 合 好 ， 根 据 ( 1 ) 式 计 算 的容 许 轴 压 力 具 有 很 高的安 全储备 。 0 0o 2 0 0 04 0 0 06 0 0 08 轴 向应变 图 1 钢 管混凝土 结构轴压 承载 力计 算曲线 2 3 建议 按 照 ( 2 ) 式计算 的 屈 服轴 压 力 除 以 2 0的安 全 系 数 ， 得 到的容 许 轴 压 力 将 比按 照 ( 1 ) 式计 算 的 容许 轴 压 力大 2 0 以上 ， 考虑 到桥 梁工 程 中钢 管混 凝 土 结构 具 有一定 的初 始应 力 ， 以及 钢 管 混凝 土 结 构 的 初始 缺 陷 和运 营阶段 由于 混凝 土收 缩 在 钢 管 、 混 凝 土 间 可能 产生 缝 隙 ， 钢 管 混 凝 土 容许 轴压 承载 力 仍 应 按 ( 1 ) 式 进行 设计 计 算 ， 但 钢 管 的 容 许 应 力 可 较 “ 桥 规 ” 提 高 1 0 左 右 。 3徐变终 极值 3 1 计算方法 混凝 土 的徐变 是在 长期 荷载 作用 下混凝 土 塑性 变 形 随时 间增长 的现 象 ， 影 响 混 凝 土徐 变 的主 要 因素有 水 泥用量 、 水灰 比、 周 围 环境 的温 度 与 湿 度 、 构 件 的截 面形 状 、 加 载 时混 凝 土 的龄 期 和 应 力 的 大小 等 。在钢 铁道标准设 计R AI L W AY S T A N D A R D D E S I G N 2 0 1 j ( 3 ) 桥 梁 管 混凝 土拱 桥 中 ， 钢 管 拱肋 成 拱 后 才 开 始灌 注 拱 肋 内 混 凝土 ， 由于 肋 内混 凝 土 相 对 密 闭 ， 水 分 的 流失 比较 慢 ， 其徐 变 特性 与在 湿 度 比较 大 环 境 下 的普 通 混 凝 土 相 当， 徐变 发展 的时间稍长 ， 大约 23年后可趋 于 稳 定 。 在 钢管 混凝 土拱 桥 中 ， 混凝 土被 置于 钢截 面 内 ， 具 有 相 同的截 面形 心和 对 称 轴 ， 可 以 认 为二 者 的变 形服 从平截面假定， 这就大大简化了徐变内力的计算分析。 采用 换算 弹性 模量 法编 制 了基 于 空 间梁 单元 的桥 梁分 析程 序 B B E M， 徐 变系 数终值 ( t ， ) 按 “ 铁路 桥 规 ” 取 值 ， 范 围在 1 8 2 5 。 3 2 实桥测 试成 果分 析 广州 丫髻 沙大 桥主桥 为 主跨达 3 6 0 m 的钢 管混 凝 土拱 桥 ， 每 肋 截 面 由 6一 + 7 5 0钢 管 组 成 ， 管 内 灌 注 C 5 0混凝土 ， 含钢率 为 0 1 0 ， 具有长期 的拱 轴线测量 资料 和成桥 、 运 营 1 周 年 的应力 测试 资料 ， 对大跨 度 拱 桥的徐变效应分析具有很高的研究价值。 ( 1 ) 不同徐变参数下的计算挠度 、 应力 、 内力 不 同徐 变系数 终值 ( t ， r ) 对应 的拱 顶截 面 的挠 度 及应力 计算 结果 见 表 3 。 表 3恒 载 作 用 下 拱 顶 截 面 上 缘 的 挠 度 、 应 力 挠 应力 MP a 钢管 】 7l 224 2 31 2 3 7 2 5 2 混凝土 O O 1 6 1 8 2 0 25 0 42 9 0 5 6 2 0 58 0 0 5 9 3 0 63 1 l 5 0 9 7 9 2 8 8 78 表 4主 拱拱 肋拱 顶截 面 内 力 ( 2 ) 实 测结 果 成 桥 时 、 通 车运 营 1年 后 的 主拱 拱 肋 拱 顶截 面 实 测 内力 及应 力 见 表 5 ， 大 桥 运 营 1年后 发 生 的徐 变 总 挠度实 测值 为 0 1 2 I T I ( 此 时拱 肋 混凝 土 的加 载龄 期 约 为 1 8个 月 ) ， 大桥 运 营 9年 后 拱轴 线 ( 扣 除温 度 影 响 ) 与 运营 1年 的拱 轴线相 比基 本没 有发 生变 化 。 表 5恒载作用下拱顶截面应 力与内力 时间与构件 成桥状态 ( 2 0 0 0年 6月 )运营 1年( 2 0 0 1年 6月 ) 5 3 1 嘶 2 ” 鳃 鼹 黔 1 ；1 l i l m 加 O 0 O 0 咖咖 咖 咖 咖 o 加 加 z 霹 桥 梁 徐升桥一铁路桥梁钢管混凝土结构基本设计参数研究 ( 3 ) 计算 与实 测结果对 比分 析 按照运营 1年后徐变已完成约 8 0 推算， 对 比表 3表 5的数 据 ， 可 以看 出广州 丫髻沙 大桥 主桥 的徐 变 系数 ( t ， r ) 取 1 81 9时 ， 计 算 与 实 测 结 果 吻 合 较好 。 3 3 建 议 ( 1 ) 钢管混凝土拱桥主拱 拱肋截 面应力计算 和主拱 拱轴线预拱度 的设 置必须 考虑混凝 土徐变 的影响 ， 拱肋 截面的含钢率范围应在 0 0 5 0 2 0 ， 不小于0 1 更好。 ( 2 ) 钢 管 内混凝 土 的徐 变 系数 终极 值 ( t ， ) 可 取 为 1 82 0。 4 刚度 4 1 计 算方法 叠加 法计算公 式 轴压 刚度 EA =E A + 叩A E A 抗 弯刚度 E1= E l s + l E ：i= ( 8) ( 9) 合成法计算公式 轴 压 刚度 EA = E。 。( A +A ) ( 1 0 ) 抗 弯 刚度 E1 = E 。( ， +， ) ( 1 1 ) E 为钢 管混凝 土组合 截 面 的统一 弹 性模 量 ， 由下 式计算 E 。 = 。 ( 1 2 ) 其 中 。 = 0 1 9 2 ( f r 2 3 5 )+0 4 8 8 c s 。 。= 3 2 5 l 0一 比较公式 ( 8 ) 、 ( 1 0 ) ， 可得 叼 = E ( A 。 +A )一E A ( E A ) ( 1 3 ) 比较公式 ( 9 ) 、 ( 1 1 ) ， 可得 。 ： ( ， +， 。 )一E 。 ， ( E ， ) ( 1 4 ) 4 2 计算 结果 根 据式 ( 1 2 )( 1 4 ) 的计算 结 果 见表 6 ， 充 分利 用 已有 的大量试 验成 果 ， 通 过 统 一理 论 导 出 了叠 加 法公 式 的刚度计算 系数 。 表 6 钢 管 混 凝 土 结构 刚度 计 算 参 数 4 3建 议 钢管混 凝土 的组 合截 面刚 度是 钢 材 种类 、 混 凝 土 强度等级 、 含钢率的函数 ， 由于轴压刚度的取值对钢管 混凝 土拱 桥 的 应力 、 变 形 影 响较 大 ， 充 分 考 虑 混 凝 土徐 变 和长期疲 劳效 应 ， 设计 计 算 时 钢管 混凝 土 的组 合截 面 刚度应按 下式计 算 轴压 刚度 E A：E A +0 5 r l A E 。 A。 ( 1 5) 抗 弯 刚度 5 4 E1=E +0 5 ， 7 I E。 ， 。 ( 1 6 ) 5 结语 在钢管 混凝 土桥梁 结 构 设计 中 ， 钢 管 混凝 土 截 面 的轴压强度 、 徐变终极系数、 轴压 刚度 、 抗弯刚度等是 最基 本 的设 计参数 ， 通 过分 析 典 型钢 管 混 凝 土桥 梁 的 长期 测试 资 料 和钢 管 混 凝 土 结 构 统 一 理 论 的研 究 成 果 ， 对 以上关键 参数 结 合铁 路 桥 梁工 程 的技术 特 点进 行了研究总结 ， 提出的建议可纳入钢管混凝土结构设 铁道标准设计R A I L WAY S T A N D A R D DE S I G N 2 0 1 j ( 3 ) 桥 梁 钢管混凝土复合构造桥墩减少裂缝施工对策 王德 喜 ( 华杰工程咨询有限公司 ，北京 1 0 0 0 2 9 ) 摘要 ： 简述在 日本 北海道 十胜地 区冬 季钢 管混 凝土桥墩施 工 过 程 中采 取 的 施 工措 施 ， 首 先 采 用 F E M 法 对 温 度 应 力进 行 解 析 ， 找 出影响桥墩产 生裂缝 的要素 ， 设定施 工控 制 目标 ； 通过采 取 降 低预 拌 混 凝 土 的 温 度 、 采 取 送 风 降 温 措 施 、 采 用 比钢 制 模 板 绝 热性 能优 越 的 木 制模 板 且 延 长模 板 的拆 模 时 间 3种 手 段 ， 在施 工过程 中埋设 温度 传感器测定相 关部位 的温度 变化 ， 与解 析 结 果进 行 比较 论 证 了施 工 对 策 实施 的 效 果 ， 从 施 工 角 度 介 绍 了寒 冷地 区 的钢 管 混凝 土 复合 结 构桥 墩 裂 缝控 制 方 法 。 关 键 词 ： 钢 管 混 凝 土 复 合 构 造 ；桥墩 ；裂 缝 ；施 工 对 策 中 图分 类 号 ： U 4 4 3 2 2 文 献 标 识 码 ： B 文 章 编 号 ： 1 0 0 42 9 5 4( 2 0 1 1 ) 0 30 0 5 50 3 1 工程 概述 钢管 混凝 土复 合构 造 结 构 有 着 承 载力 高 、 抗 震 性 能优越 、 施 工便 捷等 优点 ， 在 日本这 个多 地震 国家得 到 了广 泛 的应 用 。下述 工程 为改 造急 弯急坡 旧道 的道 路 改 良工 程 ， 新 建 1座跨 度 L = 2 4 6 8 m 的桥 梁 。工 程 位 于 E l 本 北海 道十 胜平原 东北 部 ， 桥墩 施工期 为 l 1 月 中 旬 到 次 年 1月 下 旬 ， 十 胜 地 区 1月 历 史 最 低 气 温 为 1 9 2 9年 的 一 3 4 9 。 桥墩 基础 采用 桩基 ， 为 了增加 抗 震 性 和 减 小构 造 物体 积 ， 桥墩采 用 了钢管 混凝 土复 合构 造结 构 ， 结 构 尺 寸详 见 图 1 和 图 2 。 2施工 中存在 的问题 从桥墩尺寸可以看 出， 桥长方 向的混凝土保护层 为 5 0 c m， 与 桥长 垂 直 方 向的 混凝 土保 护 层 为 7 5 c m， 构 造上 的特点 使 它成 为极 易产生 温度 裂缝 的结 构 。其 产 生 的原 因从 混凝 土硬 化 原理上 可 归纳 为 内部 温度 应 力 和外 部温度 应力 两种 情况 。 收稿 日期 ： 2 0 1 0一I 1 0 5 ；修回 日期 ： 2 0 1 01 2一O 1 作者简介 ： 王德喜( 1 9 6 6 一)， 男 ， 工 程师 ， 1 9 8 7年毕业 于西南交通 大学 工 学 学 士 。 i I o i i i ii i i i i , l l h ii i ii I II 1 , 计暂 行规定 。 参考 文献 ： 1 韩林海 钢管混 凝土结 构一理论与 实践 M 2版 北京 ： 科学 出 版社 ， 2 0 0 7 2 蔡绍怀 现代钢管混凝土结 构 修订 版 M 北 京 ： 人 民交通 出版 铁道 标准设 计R AI LW AY S T A ND A R D DE S I G N 2 0 1 j ( 3 ) I 2 2 5 0 0l I J I J 图 1 桥 墩 正 面 ( 单 位 ： mm) 图 2桥 墩 平 面 ( 单 位 ： mm ) 钢管 混凝 土复 合结 构桥 墩 的温度应 力产 生原 因可 以 总括为 以下 几点 。 ( 1 ) 中空断 面构造 结 构 。 除钢 管 下部 填 充 部分 混 凝 土外 ， 钢 管 内部采 用 中空构 造 ， 这 种结 构使 钢管外 周 温 度应 力增 大 。 ( 2 ) 大体 积混 凝土 构 造 结构 。水化 反 应使 内部 温 度 升高 ， 热量 不 能有效 释放 造成 内外 温差 加大 。 ( 3 ) 寒 冷 期 施 工 防 寒 养 生 措 施 解 除 时 ， 寒 冷 的外 界 气温 致使 构造 物 内外温 差 的急剧 变化 。 由于裂缝 产 生 的机率 和产 生位置 等都 会 因结构 物 的条件 而产 生很大 变 化 ， 通 过 对 桥 墩进 行 温 度 应 力解 析 ， 根据解 析 结果研 讨 了减少 裂缝 对策 实施 的必 要性 ， 同 时还对 控制 裂缝 的方 法进 行 了研讨 。 Il l II I I I II 11 4P 社 2 0 0 7 3 徐升桥 铁 路桥 梁 罕遇地 震设 计 研究 J 铁道 工程 学报 ， 2 0 0 8 ( S ) 4 韦建刚 ， 陈宝春 钢管混凝土拱 桥拱肋 刚度设计取 值分析 J 交 通 运输工程学报 ， 2 0 0 8 ， 8 ( 2 ) ： 3 43 9 5 5 H堰 _滚 H援 ，瓣 一