（工程力学专业论文）钢管初应力对圆形钢管混凝土拱承载力影响及试验方案研究.pdf

摘要 近2 0 年内，钢管混凝土拱桥在我国已经得到广泛应用，在目前已建和在建 的大跨径钢管混凝土拱桥，其施工多采用无支架吊装法、转体施工法架设空钢管 拱肋，合拢后再逐根浇筑管内混凝土，按此方法施工，钢管在与混凝土形成复合 截面之前，因承受自重和湿混凝土重量，不可避免地会产生初应力。钢管初应力 使钢管屈服提前，从而影响到钢管混凝土拱桥的承载力。 本文开展了初应力对钢管混凝土拱桥承载力的影响计算，同时为验证计算的 正确性和可靠性，针对性的设计了考虑钢管初应力对其力学性能影响的试验方案。 主要研究工作如下： 基于空间梁单元非线性几何方程，运用了计入初应力和初应变的一般线 弹性本构关系的显式切线刚度矩阵，为本文研究钢管初应力对钢管混凝土拱桥极 限承载力的影响奠定了理论基础； 在收集和总结国内外钢管混凝土的本构关系后，合理的选取了钢管和混凝 土的本构关系，采用空间梁单元来计算极限承载力； 展了单肢钢管混凝土拱桥在不同初应力系数、不同矢跨比、不同含钢率、 不同跨径下的承载力及影响系数后。的计算。结果表明，对于钢管混凝土拱桥极限 承载力计算，应同时考虑双重非线性影响；钢管初应力使钢管混凝土拱桥极限承 载力下降，具体降低幅度与初应力系数、矢跨比、跨径、含钢率、几何非线性等 因素有关；含钢率不变的情况下，随着跨径增大，初应力对承载力的影响相对减 小。以承载力下降1 0 为界限，单肢钢管混凝土拱桥的钢管初应力系数不应超过 0 2 。 通过对单肢钢管混凝土拱桥考虑钢管初应力的极限承载力分析，应用最小 二乘法理论，在m a t l a b 下实现了不同跨径、不同矢跨比的单肢钢管混凝土拱桥 承载力影响系数计算公式。 为验证理论计算，有针对性的开展了考虑钢管初应力影响的单肢钢管混凝 土模型拱设计，方案一为拱顶单点加载；方案二为四分点单点加载。 针对两个方案开展了不同初应力系数、不同跨径下的承载力计算，结果表 明：拱项加载模型的极限承载力和影响系数七。值要高于四分点加载模型拱。 设计了整个模型的试验过程，为接下来模型试验的顺利实施，提供了方法 和手段。 关键词：钢管混凝土拱桥；初应力；极限承载力；双重非线性；模型设计 a b s t r a c t i nt h el a s t2 0y e a r s , t h ec f s th a sb e e nw i d e l y a d o p t e di nt h ea r c hb r i d g eb u i l d i n g i nc o n s t r u c t i o no fl o n g s p a na r c hb r i d g e ，t h em a i nm e t h o d sa r en o n - b r a c k e tc o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g yo rt h es w i n gt e c h n o l o g y u n d e rt h e s em e t h o d s ，b e f o r et h ef o r m a t i o no f c f s ta r c hb r i d g e ，s t e e lt u b ew i l lw i t h s t a n dt h ew e i g h t so fi t s e l fa n dt h ew e tc o n c r e t e ； t h i sw i l lc a u s et h ei n i t i a ls t r e s so ft h es t e e lt u b ei n e v i t a b l y t h ei n i t i a ls t r e s sf o r c e st h e s t e e lt u b et op r i o rr e a c ht h ey i e l dp o i n to fm a t e r i a l ，w h i c hw i l la f f e c tt h eb e a r i n g c a p a c i t yo fc f s ta r c hb r i d g e t h i sp a p e rc o n s i d e r e dt h ei n i t i a ls t r e s si nt h ec a l c u l a t i o no ft h ec f s ta r c h b r i d g e sb e a r i n gc a p a c i t y , a tt h es a m et i m ei no r d e rt ov e r i f yt h ea c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t y o fc o m p u t i n g ，p u r p o s e f u ld e s i g nt h em o d e le x p e r i m e n tw h ic hc o n s i d e r e dt h ei n i t i a l s t r e s so nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s m a i nr e s e a r c hw o r k sa r ea sf o l l o w s ： b a s e do ns p a t i a lb e a me l e m e n tn o n l i n e a rg e o m e t r ye q u a t i o n , e x p l i c i tt a n g e n t s t i f f n e s sm a t r i xo fs p a t i a lb e a me l e m e n tc o n t a i n e dt h ei n i t i a ls t r e s sa n dt h ei n i t i a ls t r a i n i ng e n e r a le l a s t i cc o n f i g u r a t i o nr e l a t i o n s h i ph a sb e e na p p l i e d l a i dt h et h e o r e t i c a l f o u n d a t i o ni ns t u d y i n gt h ei n i t i a ls t r e s so nt h eu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t yo fc f s ta r c h b r i d g e b a s e do nc o l l e c t i n ga n ds u m m a r i z i n gt h ec o n s t i t u t i v er e l a t i o no fc f s t , s e l e c t t h e c o n s t i t u t i v er e l a t i o no ft h es t e e la n dc o n c r e t er e a s o n a b l e ，t h ec o m p u t a t i o no f u l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t yo fc f s ta r c hb r i d g ew i l lb ec o m p l e t e db ys p a t i a lb e a m e l e m e n t t h eu l t i m a t ec a p a c f f ya n dt h ei n f l u e n c ef a c t o rk 。o fs i n g l e - t u b ec f s ta r c h b r i d g e si n c l u d i n gd i f f e r e n ti n i t i a ls t r e s sf a c t o rf l ，s p a na n dr i s e - s p a nr a t i oa sw e l la s s e c t i o n a ls t e e lr a t i o 口h a v eb e e np e r f o r m e d t h ea n a l y t i c a lr e s u l t ss h o ww h e nb e a t i n g c a p a c i t ya n a l y s i so fs t e e lt u b ei n i t i a ls t r e s st oc f s ta r c hb r i d g ew a sp e r f o r m e d , b o t h m a t e r i a ln o n l i n e a ra n dg e o m e t r yn o n l i n e a rs h o u l db es i m u l t a n e o u s l yi n c l u d e d ；s t e e l t u b ei n i t i a ls t r e s sc a l lr e d u c eb e a r i n gc a p a c i t yo fc f s ta r c hb r i d g e h o w e v e r , t h e r e d u c e de x t e n t sh a v ec o n n e a i o nw i t hs t e e lt u b ei n i t i a ls t r e s sf a c t o rb ，r i s e s p a nr a t i o 。 s e c t i o n a ls t e e lr a t i o口a n ds p a ne r e i ft h er e d u c t i o ne x t e n to fb e a r i n gc a p a c i t yd o e s n o te x c e e d10 ，t h u si n i t i a ls t r e s sf a c t o ro fs i n g l e - t u b ec f s ta r c hb r i d g es h o u l db e l i m i t e dt o0 2 b ys t u d y i n gt h eu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t yo fs i n g l e t u b ec f s ta r c hb r i d g e w h i c hc o n s i d e r i n gt h es t e e lt u b ei n i t i a ls t r e s s ，a p p l i c a t i o nt h et h e o r yo fl e a s ts q u a r e m e t h o d , t h ef o r m u l a so fb e a r i n gc a p a c i t yi n f l u e n c ef a c t o ru n d e rd i 岱玎e n ts p a na n d r i s e s p a nr a t i oh a v e b e e ng i v e nf o rs i n g l e - t u b ec f s t a r c hb r i d g eb yu s eo fm a t l a b t ov e r i f yt h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n , d e s i g nt w om o d e l so fs i n g l e - t u b ec f s t a r c hb r i d g e ，o n ei ss i n g l ep o i n tl o a d i n go nv a u l t ；a n o t h e ro n ei ss i n g l ep o i n tl o a d i n go n o l l eq u a r t e ro fs p a n f o rt h et w om o d e l s , t h eu l t i m a t ec a p a c i t ya n a l y s i so fs i n g l e t u b ec f s t a r c h b r i d g e ss p a na sw e l la ss e c t i o n a ls t e e lr a t i o 口h a v e b e e np e r f o r m e d t h er e s u l t ss h o w t h a tt h em o d e la r c hb r i d g el o a d i n go nv a u l tc o m p a r e dt h es i n g l ep o i i l tl o a d i n go no n e q u a r t e ro fs p a n ；t h eu l t i m a t ec a p a c i t ya n d t h ei n f l u e n c ef a c t o rk p a r el a r g e r t h ew h o l em o d e lt e s tp r o c e s sw e r ed e s i g n e d , f o r t h el a t e rm o d e lt e s t s u c c e s s f u l l y , i tp r o v i d em e t h o d sa n dm e a n s k e yw o r d s ：c o n c r e t ef i l l e d s t e e lt u b ea r c hb r i d g e ；i n i t i a ls t r e s s ；u l t i m a t e h e a r i n gc a p a c i t y ；d o u b l e - n o n l i n e a r ；m o d e ld e s i g n 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本 人承担。 学位论文作者签名：絮建越 日期： 口年辟月日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时 授权中国科学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并进行信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ， 同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：鼬鲁钐 日期：沙矿年矽月歹日 指导教师签名： 日期：沙，口年牵月肜日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n 系 列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规 定享受相关权益。 学位论文作者签名：毒灿 日期：z ，扣年中月c 日 指导教师签名： 日期：扫p 年 第一章绪论 1 1 钢管混凝土介绍 第一章绪论 1 1 1 钢管混凝土的定义 钢管混凝土( c o n c r e t ef i l l e ds t e e lt u b e ，简写为c f s t ) ，是在薄壁钢管中填充 混凝土而形成的一种复合材料，由劲性钢筋混凝土及套箍混凝土发展而来【1 1 。 按截面形式不同，钢管混凝土可分为圆、方、矩形和多边形钢管混凝土等【2 1 ； 按钢管和混凝土的组合关系，又可分为内填型、外包型和内填外包型几类( 图1 1 ) ； 图1 2 所示为几种常用钢管混凝土构件截面型式。实际应用中，主要采用内填型 和内填外包型两类，后者用于钢管混凝土劲性骨架桥梁。 a ) 圆形 b ) 方形c ) 多边形d ) 圆端形 a ) c i r c l eb ) r e c t a n g l ec ) p o l y g o n m r o u n d - e n d 图1 1 常见的钢管混凝土截面形式 f i g , 1 1c o m m o nc s f t ss e c t i o nf o r m 圆形 方形矩形 内填型 外包型内填外包型 图1 2 常见钢管混凝土构件截面形式 f i g , 1 2c o m m o nt u b e c o n c r e t ec o m p o s e dt y p e 鉴于钢管和混凝土相互约束效应的存在，人们发现钢管混凝土结构与其他结 构相比，具有承载能力高，塑性和抗震性能优越、节省材料和施工简便等优点， 非常适用于高层建筑、超高层建筑和大跨度以受压为主的桥梁中，如拱桥、桁架 桥和斜拉桥的主梁等【3 】。 1 1 2 钢管混凝土的工作机理 钢管混凝土的基本工作机理有二【l 】： 2 第一章绪论 与套箍混凝土原理相似，借助圆形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 的能力，塑性和韧性性能得到改善； 借助内填混凝土的支撑作用，增强管壁的几何稳定性，改变空钢管的失稳 模态，延缓或避免钢管过早地发生局部屈曲，从而保证材料性能的充分发挥，提高 结构承载能力。 图1 3 所示为圆钢管混凝土在轴心受压荷载作用下时钢管和核心混凝土的受 力状态示意图。 在纵向轴心压力n 的作用下，钢管混凝土将产生纵向压应变占一这将分别引 起钢管和核心混凝土的环向应变占。及幺： = i t , 气；乞= 心气 式( 1 1 ) 式中 。，i u c 分别为钢材与核心混凝土的泊松比。 据有关文献介绍【4 】，在弹性工作阶段，钢材泊松比以= o 2 5 0 3 0 ，达到塑 性阶段后，以变为o 5 ；混凝土在低应力状态时心= 0 1 7 ，随着压应力增大，段将 增至0 5 或更大，到达极限开裂状态时，敝可达到大于1 o 。 p 管内核心砼 a ) 钢管 b ) c o n c r e t ee l e m e n t s t e e le l e m e n t c)d) 图1 3 钢管和混凝土的受力状态示意图 f i g , 1 3b e a r i n gf o r c es t a t e ss k e t c hm a po fs t e e lt u b ea n dc o n c r e t e 可见，圆钢管混凝土构件在轴心压力n 作用下，开始阶段心 从，如没有环向约束，核心混凝土向外扩张的变形将大于钢管直径扩张变形， 但由于钢管箍住了混凝土，阻碍了核心混凝土的核心扩张，此时，钢管与核心混 凝土之间将产生相互作用的紧箍力p 。紧箍力使得钢管与核心混凝土均处于三向应 力状态。钢管纵向、径向受压，环向受拉；核心混凝土三向均受压【4 1 。 总之，在钢管混凝土构件中，由于钢管对混凝土的套箍作用，使混凝土的抗 压强度大大提高，由脆性材料转变为塑性材料，基本性能起了质的变化。两种材 料能相互弥补对方的弱点，发挥各自长处，因而是钢材与混凝土最佳的使用组合。 1 1 3 钢管混凝土的特点 钢管混凝土主要具有如下主要特点【2 】： 承载力高 对薄壁钢管来说，由于对局部缺陷很敏感，其临界承载力很不稳定。实验证 明，薄壁钢管的实际承载力往往只有理论计算值的1 3 - 1 5 ，当有焊接残余应力存 在时，影响可能更大。在钢管中填充混凝土形成钢管混凝土后，钢管约束了混凝 土，在轴心受压荷载作用下，混凝土三向受压，可延缓其受压时的纵向开裂。同 时混凝土延缓了薄壁钢管过早发生屈曲。两种材料取长补短，使钢管混凝土具有 较高的承载能力，一般都高于组成钢管混凝土的钢管和核心混凝土单独承载力之 和。 1 9 7 6 年哈尔滨锅炉厂曾进行了简单的对比试验。分析证明：钢管混凝土中的 核心混凝土，由于钢管产生的紧箍效应，抗压强度可提高一倍；而整个构件的抗 压承载力约为钢管和核心混凝土单独承载力之和的1 7 - 2 0 倍。此为，钢管混凝 土构件的抗剪和抗扭性能也很好，承载力也很高。 塑性和韧性好 混凝土脆性较大，高强度混凝土更是如此，其工作的可靠性因而有所降低。 钢管混凝土中，核心混凝土在钢管的约束下，改其脆性大的缺点，不但在使用 阶段改善了其弹性性质，而且在破坏时具有较大的塑性变形。此外，这种结构在 承受冲击荷载和振动荷载时，也具有很大的韧性。由于钢管混凝土具有良好的塑 性和韧性，因而抗震性能好。 施工简便，可大大缩短工期 1 ) 钢管耐侧压，浇筑混凝土时，可省去支模、拆模等工序和原料，可适应先 进的泵送混凝土灌注工艺。 2 ) 钢管本身能够起到钢筋的作用，兼有纵向钢筋和横向箍筋的功能。 4 第一章绪论 3 ) 钢管在施工阶段可起到劲性骨架的作用，且其吊装重量轻，可简化施工安 装工艺，缩短工期。 耐火性能良好 由于组成钢管混凝土的钢管和其核心混凝土之间具有相互贡献、协同互补和共 同工作的优势，使这种结构具有较好的耐火性能。 另外，火灾后，随着外界温度的降低，钢管混凝土结构已屈服截面处钢管的强 度可得到不同程度的恢复，截面的力学性能比高温下有所改善，这不仅为结构的加 固补强提供了一个较为安全的工作环境，也可减少补强工作量，降低维修费用。 经济效益好 作为一种较为合理的结构形式，采用钢管混凝土可以很好的发挥钢材和混凝土 两种材料的特性和潜力，使它们的优点得到更为充分和合理的发挥，因此，采用钢 管混凝土一般都具有很好的经济效益【2 】。 大量工程实践表明：采用钢管混凝土的承压构件比普通钢筋混凝土承压构件可 节约混凝土5 0 减轻结构自重5 0 左右。 1 2 钢管混凝土在拱桥中的应用和发展概况 1 2 1 国内钢管混凝土拱桥的发展概况 中国是拱桥的故乡【5 】，历史上曾修建过无以数计的各种类型的拱桥，古代的赵 州桥、卢沟桥等举世闻名，目前仍在使用。解放后，又因地制宜地建造了许多石 拱桥，2 0 世纪6 0 年代，为解决大跨度拱桥施工支架问题，首创了无支架缆索吊装 技术，采用“分整为零、集零为整”的施工方法，大大推进了我国拱桥的建造技术； 2 0 世纪8 0 年代，又提出了转体施工法建造拱桥，并将跨度推进至l j 2 0 0 m 。然而，随 着桥梁跨度的不断增大，常规的钢筋混凝土拱桥，因受到吊装重量和节段数量的 限制，形成了跨度与吊装重量的突出矛盾，限制了大跨度拱桥的进一步发展。钢 管混凝土拱桥较好地克服了这一矛盾，一经出现，就得到迅速发展。 国内钢管混凝土在桥梁工程中开始得到研究和应用是在2 0 世纪8 0 年代。1 9 9 0 年1 0 月建成首座钢管混凝土拱桥一四川省旺苍县东河大桥图( 1 4 ) ，跨度1 l o m ，拱 肋由上下两根钢管西8 0 0 1 0 m m 组成哑铃形断面，内灌c 3 0 混凝土，q 2 3 5 钢材。此 后，钢管混凝土拱桥在我国得到迅猛发展，如1 9 9 5 年竣工的广东省南海三山西大 桥，为中承式拱桥，l = 2 0 0 m ，两端各带一个4 5 m 的上承式半拱，主跨拱肋由4 根直 径0 7 5 m 的钢管混凝土组成1 8 x 3 5 m 的四边形组合截面，用预应力钢绞线作为系杆， 平衡主拱与边跨的不平衡推力，开创了在软土地基建造大跨度拱桥的先例；1 9 9 3 年竣工的浙江省新安江望江大桥，为三跨中承式钢管混凝土拱桥，主跨l - - 1 2 0 m ，主 第一章绪论 跨拱肋为2 中9 0 0 x ( 1 2 1 6 ) r a m 钢管混凝土组成哑铃形截面，截面高2 m ，q 3 4 5 钢， 内灌c a 0 混凝，首次采用钢管变厚度的办法来减小主跨拱脚处的水平推力并利 用边跨来平衡此推力。1 9 9 6 g 建成的长江三峡工程三座公路拱桥黄柏河大桥、 下牢溪大桥和莲沱大桥，跨度分别为1 6 0 m 、1 6 0 m 和1 1 4m 它们是属于多拱肋上承 式拱桥，每片拱肋皆采用两个钢管混凝土组成的哑铃形截面。相继建成的还有武 汉江汉三桥( 主跨2 8 0 m ) 、广西三岸邕江大桥( 主跨2 7 0 m ) 等多座大跨钢管混凝土拱 桥。 在铁路桥梁中，由于动荷载较大，因此采用钢管混凝土拱桥能充分发挥结构 特性。我国第一座铁路钢管混凝土拱桥一贵州水柏铁路北盘江大桥1 6 1 ( 2 3 6 m ，2 0 0 3 ， 圈l5 ) 采用上承提篮式钢管混凝土拱构造，是目前我国最大跨度铁路拱桥。 f i l l4 怎鑫刚b r i d “g 粕e o f 献s i c h 桥一p r o v i n c ew 叽萨h 锄g，；嚣潞螺燃蒜。 0 m “ 目前国内6 肢钢管混凝土拱桥仅有2 座。2 0 0 0 年建成的广州丫髻沙大桥( 图16 ) ， 主跨3 6 0 m ，该桥首次选用6 管式拱肋截面，每肋由6 7 5 0 m m 钢管混凝土组成，由 横向平联板、腹杆连接成为钢管混凝土桁架，其中内侧、外侧钢管为 7 5 0 1 8 m m ， 中间钢管 7 5 0 2 0 m m ，钢管间的横向平联板总厚5 0 0 n ：u n ，内、中、# b 3 根钢管通过 平联板形成能共同受力的类似肋板式的结构，上下排钢管间通过 4 5 0 x 1 2 r a m 及 m 3 5 1 1 0 m m 的腹杆组成稳定的空间结构沿拱轴采用变高等宽截面。 另外一座小河特大桥( 图1 9 ) 位于思施市白果坝镇两河口村，是沪蓉国道主 干线湖北思施至利川高速公路上横跨小河的一座山间深谷特大桥梁。小河特大桥 主桥为计算跨径3 3 8 m 的上承式钢管混凝土拱桥，拱上桥跨布置为三联6 x 2 0 m 共 3 6 0 m 连续空心板结构全桥设2 的单向纵坡及2 的双向横坡。主拱肋采用变截 面悬链线无铰拱，计算矢高6 76 m ，矢跨比l ，5 ，拱轴系数m = 1 5 4 3 ，每片拱肋由6 根0 1 1 0 0 x 2 6 ( 2 8 、3 2 ) m m 的q 3 4 5 q c 钢管组成，内灌( 2 6 0 混凝土作为弦杆上弦和 下弦横向用 5 0 0 x 1 2 m m 平联钢管连接，上、下弦之间用 4 5 0 x 1 2 m m 钢管作为腹杆， 肋内剪力撑仅在竖腹杆处布置，采用 2 1 9 x 8 m m 钢管：在拱脚处与铰相连的两斜腹 杆及铰轴钢管内灌注混凝土。拱肋为等宽变高度截面在拱脚径向上下弦杆中心 第章绪论 高度79 m ，拱顶截面上下弦杆中心高度49 m ，拱厚变化系数n - 03 1 6 ，全桥在拱肋 肋间设置了1 7 道米字撑每道横撑均为空钢管桁架，横撑内平联钢管采用中6 0 0 1 2 m m ，竖杆采用中4 5 0 x1 2 r a m 钢管，斜杆采用中2 9 9 8 r a m 钢管。 图l6 广州丫髻涉大桥 f i g16y a j i s h ab r i d g ei ng u a n g z h o u f i g18z a f i l i n g a eb r i d g e i n e n s m 丑匠曩舅墨 f i g i7 y a n g t s e r i v e r b f i d g e i n w u s h a n 【蘸 g 围, 1 1 99xia恩ohe施b小rid河ge特in太e桥ashifig,19 x i a o h c b r i d g e i n e n s h i 2 0 0 5 年建成的巫峡长江大桥( 图17 ) ，是一座主拱净跨4 6 0 m 的钢管混凝土中 承式拱桥，拱肋拱顶截而高7 m ，拱脚截面高1 4 m ，肋宽41 4 m ，每肋上下各两根 0 1 2 2 0 x 2 2 ( 2 5 ) m m 、内填c 6 0 混凝土，钢管混凝土上弦杆，下弦杆通过横联钢管 0 7 1 i 1 6 m m 和峰联钢管0 6 1 0 1 2 m m 连接而构成钢管混凝土桁架。 我们惊喜的看到钢管混凝土拱桥正迈着向更大跨径发展在建的四川省台江 长江一桥为钢管混凝土拱桥，拱肋为钢管混凝士桁架结构，主孔净跨径为5 0 0 m ， 净矢跨比为l ，45 ，拱轴系数为l4 5 。拱顶截面径向高80 m ；拱脚截面径向高位 1 60 m ，肋宽为40 m ：每肋为上、下两根【p1 3 2 0 2 2 ( 2 6 、3 0 ) 内灌c 6 0 砼的钢 管砼弦杆弦杆通过横联平7 1 1 2 6 钢管和竖向两根平6 6 0 1 2 钢管连接构成钢管 砼桁架。拱肋中距为2 86 m ，两肋间桥面以上的拱圈下弦平面设置“k ”型钢管横 撑，吊杆处间隔设置竖向“i ”型钢管桁架横撑，桥面以下的拱脚段设置径向钢管 砼桁架横撑，该桥的修建将会再次刷新钢管混凝土拱桥的世界记录，它将是钢管 混凝土在拱桥中应用的一个新的里程碑。 第一章绪论 7 以上介绍的均属于钢管混凝土拱桥的第一种类型一钢管内填混凝土。钢管混 凝土的第二种类型一钢管内填外包型。已建成的有江西德兴太白桥 1 9 9 3 、四川内 江新龙坳大桥 1 9 9 4 、攀枝花倮果金沙江大桥 1 9 9 4 、广西邕宁邕江大桥 1 9 9 6 、 四川盐源金河雅砻江大桥 1 9 9 6 和万县长江大桥 1 9 9 7 等，其中最著名的是重庆万 县长江大桥，净跨l = 4 2 0 m ，上承式拱桥，由1 0 根钢管组成空间桁架拱 ( 1 0 4 0 2 x 1 6 r a m ，q 3 4 5 钢材) ，吊装成拱后，依次向管内灌c 6 0 混凝土，然后挂模 板浇筑混凝土，逐渐形成7 m ( 高) 1 6 o m ( 宽) 的单箱三室箱形截面拱肋。这是 世界上跨度最大的以钢管混凝土为劲性骨架的钢筋混凝土公路拱桥。 在这短短的2 0 多年时间里，我国建造了2 0 0 多座跨度不一的钢管混凝土拱桥， 究其原因，从钢管混凝土拱桥自身而言，可归纳为以下几个方面【j 瑚】： 跨度适应能力强。中国幅员辽阔，地形复杂，江河山谷众多，需要建造跨 度各异的桥梁。实践证明，钢管混凝土拱桥在1 0 0 - 4 0 0 m 以内具有很强的适应性和 竞争力； 承载能力大，施工快捷。钢管混凝土利用内填混凝土增强管壁的稳定性， 又利用钢管对核心混凝土的套箍作用，使钢管混凝土的优越性能得到充分发挥， 具有很高的抗压强度和抗变形能力，非常适合以偏心受压为主的拱桥。施工时， 钢管充当很好的模板，无需额外的脚手架和模板，又起到劲性骨架的作用。另一 方面，桥梁基坑开挖、基础与混凝土浇筑、钢管加工、吊杆制作、横梁和桥面板 预制可同时进行，模块化程度高，节省了施工工期，与同等跨径的其它体系桥梁 相比，可节省工期3 0 以上； 地基适应能力强。钢管混凝土拱桥可根据不同的地质条件和桥位断面，设 计成有推力的拱桥( 上承式和中承式拱) ，也可设计成无推力的系杆拱桥( 下承 式或带半跨边孔的飞雁式组合拱) ； 造型优美。优秀的桥梁建筑，除应有的功能外，还应是一个高雅的建筑艺 术品，成为一个城市或地区的标志( 象征) ，如举世闻名的美国旧金山大桥、悉 尼港的钢拱桥。钢管混凝土拱桥犹如一道靓丽的彩虹横跨大江两岸，配合恰当的 灯光设计，令人赏心悦目： 有较成熟的施工技术作支撑。中国是建造拱桥最多的国家，经过长期的探 索，已掌握了成套的施工技术，如无支架缆索吊装法，转体施工法。前者配合千 斤顶由高强钢绞线做扣索，具有索力和拱轴线型控制精度高，并且突破了只适用 于5 段以内的限制，能用于多节段拱肋吊装；后者的平转和竖转技术也已相当成熟， 已成功地用于多座钢管混凝土拱桥的安装； 大直径钢管( 1 0 0 0 以上) 卷制工厂化。有力地促进了中国钢管混凝土拱桥 的发展。 第章绪论 1 22 国外钢管混凝土拱桥的发展概况 钢管混凝土在桥梁工程中的应用已有一百多年的历史 9 1 。早在1 8 7 9 年，英国 的s e v e r n 铁路桥建设中就采用了钢管桥墩，当时在管中灌注混凝土主要用来防止 内部锈蚀并承受压力。世界上摄早修建的钢管混凝土拱桥在前苏联地区。1 9 3 7 年， 前苏联著名桥梁专家p e r e d e a f i y 教授用钢管混凝土建造了跨越列宁格勒涅瓦河跨度 1 0 1 m 的拱粱组合体系。1 9 3 9 年，r o m o v s k i y 教授在西伯利亚也用钢管混凝土建造 了一座跨度达1 4 0 m 的上承式钢管混凝土铁路拱桥。法国已建的凯泽莱尔桥，主跨 为2 2 0 m 的下承式拱桥；法国a d 廿c 1 1 a s 桥，主骨架为一根直径1 2 0 0 m m 壁厚3 2 m m 的钢管混凝土空问桁架组合拱，主跨5 6 m ，桥长8 5 m ，宽1l m 。法国还有一座钢 管混凝土拱桥正在修建中，它位于c a n t a b r i o a 公路上，跨越e s c u d o 河，长2 2 9 m 宽3 0 m 。其主跨为跨径1 2 6 4 m 的上承式拱桥。西班牙在跨越e s c u d o 河上，于2 0 0 1 年建成了长2 2 9 m ，宽3 0 m 的钢管混凝土拱桥，它的主跨为跨径1 2 64 m 的上承式 拱。捷克在跨越b m o v i e n n a 高速公路的地方道路桥梁，跨径为6 07 5 m ，拱轴线 为半径r - 7 47 5 m 的圆弧拱。美国己建成的新达门大街桥位于芝加哥市跨越芝加哥 河，桥长9 4 m ，双向4 车道。桥梁总宽度为2 19 m 。日本的橙岛桥，为1 2 6 m 跨径 的上承式钢管混凝土拱桥。 日本的松岛桥为1 2 6 跨径的上承式钢管拱桥，为上承式二铰拱；2 0 0 5 年建 成的长崎新西海桥是日本首座钢管混凝土拱桥，主孔跨径2 4 0 m ，中承式，桥宽 2 02 m 。该桥有两根主拱肋，每根拱肋由3 根钢管混凝土弦管组成三角形断面( 上 面两根管，下面一根管) ，钢管的外径为8 1 28 m m ，壁厚是变化的。总的来说，国 外修建钢管湿凝土拱桥的跨径较小，数量也不多，相关报道较少。 12 3 钢管混凝土拱桥分类 拱桥按桥面位置分类可分为上承式、中承式和下承式三种【1 q 。采用下承式时 全部拱肋在桥面以上因而桥基墩最高最费料。采用上承式时，全部拱肋都在桥 面以f ，因而桥基墩最低，基础材料节省的同时增加了拱上支承桥面结构的立柱。 中承式的优缺点介于上承式和下承式之间。从稳定性来看，上承式稳定性最好， 下承式最差，中承式介于二者之间；从美观角度看中承式拱桥较好，下承式次 之，上承式较差，有学者甚至从美学的角度分析中承式拱桥中桥面系于黄金分割 点时最美观的特点。目前钢管混凝土拱桥最常用的是下承式和飞燕式两种型式。 只有当跨径很大，荷载也很大时，才采用上承式，如2 0 0 9 年底建成通车的湖北沪 蓉西高速小河特大桥，为主跨3 3 8 m 上承式钢管混凝土拱桥。 第一章绪论9 锄目| i 武彻中秉式c ) 下秉武 图1 1 0 下承、中承和上承式钢管混凝土拱桥 f i g 1 1 0t h r o u g h ，h a l f - t h r o u g ha n dd c c k t y p ec f s ta r c h - b r i d g e 按截面形式分类，钢管混凝土拱肋截面主要包括单肢、双肢哑铃型、四肢格 构型，也有一些桥采用三肢、六肢乃至多肢。图1 1 1 列出常用的几种拱肋截面型 式： 冒凰丛圃 单肢双肢四肢 三肢六肢 图1 1 1 钢管混凝土常用拱桥截面形式 f i g 1 1 lc o m m o n c f s ta r c h - b r i d g e ss e c t i o nt y p e 钢管混凝土拱肋截面的选取一般取决于荷载作用下拱肋中内力大小【2 1 。中、小 跨径由于拱肋内力不大，采用单肢、双肢截面居多，而大跨径钢管混凝土拱桥则 基本采用格构型截面。表( 1 1 ) 列出了我国近年来已建和在建的跨径在2 0 0 m 以上的 钢管混凝土拱桥。 表1 1 国内2 0 0 m 以上钢管混凝土拱桥汇总 序 号 桥名建成时间 主跨( m ) 矢跨比 截面型式结构型式 l 四川合江长江一桥在建 5 0 01 4 5 四肢格构中承式 2 重庆巫山长江大桥 2 0 0 34 6 01 3 8 四肢格构 中承式 3 湖北沪蓉西支井河大桥2 0 0 94 3 01 5 5 四肢格构上承式 4 湖南茅草街大桥 2 0 0 63 6 81 5 四肢格构中承式 5 广州丫髻沙( 珠江) 大桥 2 0 0 03 6 0l 4 5 六肢格构中承式 6 广西南宁永和大桥 2 0 0 43 3 81 5 四肢格构中承式 7 湖北沪蓉西小河特大桥 2 0 0 93 3 81 5 六肢格构上承式 8 浙江淳安南浦大桥 2 0 0 33 0 81 5 5 四肢格构下承式 9 重庆奉节梅溪河大桥 2 0 0 12 8 81 5 四肢格构上承式 1 0 第一章绪论 序 桥名建成时间 主跨( m ) 矢跨比截面型式结构型式 号 1 0 武汉江汉三桥 2 0 0 12 8 01 5 四肢格构下承式 1 1 广西三岸邕江大桥 1 9 9 82 7 0l 5 四肢格构中承式 1 2 湖北秭归青干河大桥 2 0 0 0 2 5 6 l 4 四肢格构中承式 1 3 浙江- - = n 健跳大桥 2 0 0 l 2 4 5l 5 四肢格构 中承式 1 4 巫山新龙门大桥 2 0 1 02 4 01 5 四肢格构中承式 1 5湖北恩施南里渡大桥 2 0 0 22 4 0l 5 四肢格构上承式 1 6 武汉江汉五桥 2 0 0 02 4 01 5 四肢格构中承式 1 7 浙江象山铜瓦门大桥 1 9 9 92 3 81 4 8 2 双肢格构中承式 1 8 贵州北盘江大桥 2 0 0 12 3 61 4 四肢格构上承式 1 9 江苏邳州京杭运河大桥 2 0 0 12 3 51 4双肢格构中承式 2 0 广西六景郁江大桥 1 9 9 92 2 01 5 四肢格构中承式 2 1湖北恩施南泥渡大桥 2 0 0 32 2 01 5 四肢格构上承式 2 2 湖北秭归龙潭河大桥 2 0 0 02 0 8 1 5 双肢哑铃中承式 2 2 四川眉山岷江大桥施工中 2 0 6 四肢格构中承式 2 3 四川绵阳涪江三桥 1 9 9 72 0 21 4 5 四肢格构中承式 重庆合川合阳嘉陵江 2 4 2 0 0 22 0 0l 4 四肢格构中承式 大桥 2 5 广东南海三山西大桥 1 9 9 52 0 01 4 5 四肢格构中承式 1 3 钢管混凝土拱桥极限承载力试验研究现状综述 钢管混凝土拱桥作为一种新桥型，虽然进行了一些成桥静载试验，但实桥测 试时结构基本处于弹性阶段，无法反映出钢管混凝土拱的非线性性能和极限承载 力。对于模型试验，由于钢管管径小，管壁薄，模型制作困难，费用较大，钢管 与混凝土共同作用的性能受尺寸效应影响等等，使得模型试验困难。迄今为止， 已进行的全过程受力模型试验较少，且大都限于单圆管拱肋。 1 3 1 单肢钢管混凝土拱桥极限承载能力试验研究 福州大学陈宝春教授等曾进行了8 个有关钢管混凝土拱桥极限承载力模型试 验【1 1 1 2 1 3 1 4 j 5 1 6 】，试验分别就单圆管进行了面内、面外、对称、非对称以及单点和 第一章绪论 多点加载的试验承载力全过程试验研究；西南交大进行了钢管混凝土单圆管平行 双肋拱和x 型提篮拱空间受力的全过程试验【1 7 】；石家庄铁道学院也进行了2 根单 圆管的承载能力试验【l 引，分别在四分之一和二分之一跨施加集中力。试验研究表 明，钢管混凝土拱具有较好的弹性和塑性性能，与钢筋混凝土拱桥相比，其弹性、 塑性、延性均较好，与空钢管拱相比，其刚度大、承载力高。在受力过程中，面 内试验研究主要以材料非线性的影响起主要作用，相反面外起主要作用的则是几 何非线性。 以上试验研究的计算结果与试验值吻合较好，尤其是在前期受力阶段吻合良 好，进入材料非线性阶段后，钢管混凝土拱存在截面的应力重分布和结构的内力 重分布现象。其塑性区域沿轴向发展速度大于沿截面高度方向的发展速度，因而 具有较大的塑性区，且结构受几何非线性的影响较大，其极限承载力不能忽略轴 力在竖向挠度方向产生的附加弯矩，也就是说钢管混凝土拱的极限承载力计算， 应该考虑材料非线性和几何非线性的影响，是极值点失稳的极限承载力问题 1 9 】。 计算结果与试验值在受力的后期有一定的偏差，主要原因可能是所采用的钢管混 凝土轴压的本构关系与实际结构受力后期偏心较大存在误差。因此，合理的选取 钢管和混凝土的本构关系成为解决钢管混凝土拱桥双重非线性分析的关键。 1 3 2 双肢及多肢钢管混凝土拱桥极限承载能力试验研究 同济大学曾国锋进行了一根在l 4 点加单点集中力的钢管混凝土哑铃形模型 拱的试验【2 0 】。重庆交通大学向中富教授进行了两根四肢钢管混凝土拱桥的承载力 模型试验。浙江大学针对淳安南浦大桥拱肋的横向稳定性进行了该桥整桥模型试 验分析，南浦大桥为一净跨径3 0 8 m 中承式钢管混凝土桁式拱桥【2 l 】，试验证明，桥 梁在2 倍恒载和设计车辆荷载作用下，桥梁没有出现面内面外的整体失稳，拱脚 钢管焊缝出现开裂，开始进入强度破坏状态。也就是说强度破坏先于失稳破坏。 1 4 初应力对钢管混凝土拱桥极限承载力研究现状综述 1 4 1钢管初应力的定义 在房屋建筑中，高层建筑和超高层建筑中，常常需在安装若干层的楼盖结构后， 才向柱内灌注混凝土，因此，在形成钢管混凝土结构前，空钢管不可避免地承受 施工阶段的荷载，从而在钢管中产生了初始应力( 1 1 1 i t i a ls t r e s s ) 。 在钢管混凝土拱桥中，常采用无支架吊装、转体施工法或少支架法架