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《组合结构设计原理》
结课论文

学院：土木与交通学院
姓名：马晓栋
学号：200903501
钢管混凝土在拱桥中的应用

摘要：钢管混凝土拱桥以其强度高、跨越能力大、施工便捷、经济效果好、桥型美观等优点在我国桥梁中得到了广泛应用。本文介绍了钢管混凝土拱桥的应用及理论研究现状，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：钢管混凝土拱桥 现状 发展
Abstract: the concrete filled steel tubular arch bridge with its high strength, spanning capacity, construction is convenient, economic effect is good, bridge aesthetic advantages in our country in the bridge to a wide range of applications. This paper introduces the concrete-filled steel tubular arch bridge of the application and theory research present situation, the development advantages and developing existence problems have been analyzed, and the future development trend of concrete filled steel tube arch bridge.
Keywords: concrete filled steel tubular arch bridge development present situation

钢管混凝土是将混凝土填充到钢管内形成的一种组合结构材料。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。
一、钢管混凝土拱桥的应用现状
水柏铁路北盘江大桥
1、钢管混凝土结构是近十年来才应用于桥梁工程的。在我国，主要应用于拱桥。其发展非常迅速。从1990年起我国第一座大跨度钢管混凝土——四川旺苍大桥建成至今，已建成和在建的钢管混凝土拱桥已经超过100座。近年来，转体施工法在钢管混凝土拱桥中的应用越来越多，如长江三峡的黄柏河大桥、贵州水柏铁路北盘江大桥、广州东南西环的丫髻沙大桥、江西德兴太柏桥、广西梧州桂江三桥、三峡莲沱大桥等。
北盘江大桥是水柏线(贵州六盘水～云南柏果)上的控制工程，全长468.20米，其中主跨是236米的上承式铁路单线拱桥，拱轴线为悬链线，拱轴系数M=3.2、矢跨比为1/4，钢管拱截面由两组4Ø1000㎜×16㎜钢管组成，上下游两组钢管拱在空间立面内分别向内旋转6.5°钢管拱分成长度为7.1～8.6米之间的38个节断，分别在两岸山坡的膺架上拼装焊接成整体，然后经转体到跨中合拢，其中六盘水岸逆时针转体135°，柏果岸转体180 °。
2 、 施工测量精度要求
钢管拱成桥线型为中线限差L/5000=±48 ㎜，高程限差L/4000=±59㎜ ；拼装时两端口中心坐标误差小于±1㎜ ；半跨成型后钢管拱轴线偏差小于±5 ㎜；合拢后拱顶处轴线限差小于±10㎜，高程限差小于±10㎜ ；两岸球铰之间的跨距误差小于±2 ㎜，高差误差小于±2㎜ 。在钢管拱施工中测量的关健是使控制拼装时的拱轴轴线误差小于±5㎜ 。
3 、 施工控制网布设
北盘江大桥桥位处地形异常复杂，北岸钢管拱拼装场地山坡坡比达1：1.5，南岸山坡坡比为1：2.5，主墩之间则是深达220米的悬崖。通视条件特别好，两岸相互能看到对岸的每个点位，但自身岸由于受到山势的限制，控制点之间通视条件很差。甲方只在两岸提供了两个相距约600米的轴线控制点ZD6和ZD7，上面附带高程。经复测发现其平面距离短了5 ㎜，高差不符值则相差60㎜，无法满足控制点的起算要求，根据钢管拱施工要求的精度，主要考虑到两拱座球铰之间的跨距精度要求（小于±2 ㎜）以及实际的地形和现有的仪器情况，布设了一条逆向精度平面控制网，即以保证两球铰的相对精度为 控制目标，而推至起始控制点精度的平面控制网。

　连徐路京杭运河大桥
京杭运河大桥也是一座飞鸟式拱桥,但其拱肋为提篮式,主孔跨径为235m,边跨径为57. 5m,施工时采用了竖向转体施工法,于2002年建成。京杭运河大桥由主引桥组成,主桥主孔跨径为235m,边孔跨径为57. 5m,主桥全长350m(图5) 。大桥主拱为提篮拱,施工时采用半跨竖向转体施工。大桥转体示意图

重庆巫峡长江大桥
重庆巫峡长江大桥主孔跨径达460m,是目前世界上跨径最大的钢管混凝土拱桥,也是世界上为数不多的跨径大于400m的拱桥之一。该桥为中承式桁拱,采用斜拉悬臂缆索吊装施工,于2005建成。无论在结构设计还是施工方面,该桥均有许多创新之处。大桥位于著名的三峡风景区巫峡入口处,桥面布置为净15+2×1. 5m人行道。设计荷载为汽车- 超20级,挂车- 120,人群荷载3. 5kN/ m2。总体布置图如图14所示。

拱肋采用钢管混凝土桁架结构,拱顶截面肋高为7. 0m,拱脚截面肋高为14. 0m,肋宽为4. 14m,每肋上、下各两根<1220mm×22(25) mm、内灌C60的钢管混凝土弦杆,弦杆通<711mm×16mm横联钢管和<610mm×12mm的竖向钢管连接而构成钢管混凝土桁架。两拱肋间桥面以上设置“K”形横撑,桥面以下的拱脚段设置“米”字形撑,每道横撑均为空钢管桁架。拱肋与桥面交接处,设置一道肋间横撑,全桥共设横撑20道。吊杆采用109<7mm的预应力环氧喷涂钢丝,两端采用OVMLZMT- 109型冷铸锚具。吊杆横梁和立柱横梁为预应力混凝土组合截面梁,肋间横梁为钢横梁。行车道梁为先简支、后连续的预应力混凝土“π”形连续梁。桥面铺装为厚8cm的钢纤维钢筋混凝土,全桥在两岸桥台处设两道24cm伸缩缝。两岸均采用“U”形桥台,两岸桥台台口宽度分别为19. 0m和55. 17m。引桥桥墩设计为明挖扩大基础,现浇钢筋混凝土的双排桩。拱座设计为分离式的钢筋混凝土拱座,横向分别设三道钢管混凝土横撑,拱座基础应置于稳定的、完整的弱风化基岩上,要求地基允许承载力不小于3. 0MPa。钢管拱肋采用斜拉悬臂法架设。施工中根据索跨大、起吊重量重(索跨576m,设计吊重128t)的特点,
为减小吊点(吊具)的配重,避免被动式承索器易发生钢丝绳扭铰的情况,开发应用了主动式承索器(主动式承索器获得国家专利,专利号: ZL03234487. 2) 。此外,还开发出“可调索低应力夹片锚固系统”,获国家专利(专利号:ZL03234873. 8) 。
二、 钢管混凝土拱桥的发展优势
将钢管混凝土应用于拱桥中，在力学性能、施工、经济以及美观等方面，表现出很大的优越性，极大促进了拱桥的发展。
钢管混凝土同套箍混凝土相同，一方面借助钢管对核心混凝土的套箍约束作用，使核心混凝土处于三向受压状态，从而使核心混凝土具有更高的抗压强度和压缩变形能力；另一方面借助内填混凝土的支撑作用，增强钢管壁的几何稳定性，改变空钢管的失稳模态，从而提高其承载力。二者的结合,充分发挥了两种材料的优点，相互弥补了彼此的不足。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。非常适合以偏心受压为主的拱桥。
大跨度钢管混凝土拱桥的发展优势还表现在施工上。修建大跨度拱桥的关键是施工方法。现代拱桥的施工方法已由以往在笨拙的满堂支架上施工发展到无支架施工：诸如缆索吊装法、劲性骨架施工法、悬臂拉索扣挂施工法及转体施工法等。钢管混凝土拱桥的施工过程是先制作和架设空钢管拱肋，然后将混凝土灌入钢管而成桥。这进一步大幅度地减轻拱结构劲性骨架的吊装质量，使上述无支架技术如虎添翼。同时，采用泵灌顶升技术灌注管内混凝土，无需振捣，借混凝土自重挤压密实，工效高质量好。此外钢管除与核心混凝土共同作为结构的主要受力部分外,在施工过程中可以作为支架和浇注管内混凝土的模板，使得施工方便、快捷。
工程实践表明[3]，钢管混凝土与钢结构相比,在保持自重相近和承载力相同的条件下，可节省钢材50% ，并节省大量的焊接工作；与普通钢筋混凝土相比，在保持钢材用量相近和承载力相同的条件下，构件的横截面积可减少一半，从而使建筑空间得到加大，混凝土和水泥用量以及构件自重相应减少50% 。另外，钢管混凝土本身的施工特点符合现代施工技术工业化的要求，可大量节约人工费用，降低工程造价。
钢管混凝土拱桥在造型艺术上也有着独特的优点。拱桥是个极富美感的桥型，它的美在于优美的拱曲线孕育着强大的力量，产生一跃而过的力动感和跨越感，令人赏心悦目。钢管混凝土拱桥以优美的弧形拱肋与直线形的梁、立柱（或吊杆）结合，呈现出刚柔并济、韵律优美的绰约风姿。同时，钢管混凝土拱桥在造型上以及拱肋的布置上呈多样化。拱肋截面可以做成哑铃形、三角形、四边形等，拱肋数量可以是单肋拱、双肋拱、三肋拱等，拱肋布置可以是平行桥面布置，与桥面斜交布置，两拱肋在拱顶连接布置等。另外，按车承形式不同拱桥可以布置成上承式、中承式或下承式。这样,可以根据功能和环境的不同采用不同的桥型和拱肋布置，使拱桥在满足功能的要求上，与拱桥所处环境相协调，从而使拱桥更具美感。
三、钢管混凝土拱桥发展趋势
钢管混凝土拱桥结构性能优越，跨越能力大，结构体系灵活多样，既可以做成有推力拱，也可以做成无推力的系杆拱，并能很好地适应不同地质与地形，外形优美，因此倍受桥梁工程界青睐。近几年随着对钢管混凝土结构研究的深入，钢管混凝土拱桥跨径记录在不断突破，形式在不断创新，技术在不断提高。原哈尔滨建筑工程学院钟善桐教授曾撰文指出系杆拱桥的跨度可达600m左右。同济大学的周念先教授则在文献[4]中提出：在500m~1000m的超大跨范围内，可供比选的方案有悬索桥、斜拉桥和系杆拱桥。对于系杆拱桥，虽一时不具备1000m的把握，但可以650m为第一步目标。同时周念先教授进行了初步探讨，认为是可行的。钢管混凝土拱在结构体系和施工方法上都具有更大的跨越能力，为拱桥跨径的继续向前推进提供了可能，相信经过广大桥梁工作者的努力，跨径650m的拱桥在不远的将来会在我国实现，待有了成功经验后，再向1000m前进。