钢管混凝土拱桥结构分析与设计

摘 要：近年来，我国钢管混凝土拱桥无论是在理论研究，还是在工程应用方面都有了很大的提升。本文就从钢管混凝土的优良特性、结构设计以及相关的注意事项方面，简要地分析讨论钢管混凝土的拱桥设计，供今后的设计提供一些参考。

关键词：钢管混凝土拱桥；结构特性；设计分析

0 前言

从1990年我国第一座钢管混凝土拱桥建成通车到现在，钢管混凝土拱桥已经走过了二十多年的发展历史。现在，这种设计的优良特性已经越来越显著的显现出来，同时，在多次桥梁建设过程中也积累了许多经验。

1 钢管混凝土拱桥的优良特性

钢管和混凝土，两者各有利弊。钢管的刚性很好，但是弹塑性不足，只有钢管难以满足多种复杂桥梁结构的需要；混凝土则相反，弹塑性很强，但是刚性不足，缺少钢管作为支撑的混凝土拱桥的抗压能力将大打折扣。钢管混凝土正好在结构上将两者的优点结合了起来。钢管的加入可以使混凝土处于侧向受压状态，使其抗压强度成倍提高。同时由于混凝土的存在，钢管的刚度提高了，两者共同发挥作用，从而大大地提高了承载能力。钢管混凝土拱桥就是向钢管内填充混凝土，这时混凝土正好处于三向受压状态，从而使得混凝土的抗压强度显著提高。

钢管还可以作为施工模板，方便混凝土的浇筑。通常在施工过程中，钢管可以直接用作承重骨架，因为钢管的重量相对较小，方便拆卸，易于安装，可在任何环境下组合搭建。桥梁建设中有了钢管的加入，将大大提高工程效率，缩短工程周期。

根据理论分析和实验论证，以钢管混凝土作为材料的拱桥，承载力和抗震性能大大提高。按混凝土规范的相关计算公式可以知道，两者的结合，较钢管和混凝土分别的承受力总和要提高110到220倍的范围之间。这种巧妙的结合在力学构造上也具有非常大的优点，由于钢管混凝土拱桥具有处于三向受压状态的特点，因此抗压能力相应提高。根据相关实验数据，钢管混凝土轴向压缩到原长的3/4，轴向表面已经被破坏，但是仍然具有一定的载重能力，显而易见可以抵御一定程度的自然灾害。在桥身被压弯的情况之下，水平力与位移之间的滞回曲线处于十分饱和的状态，吸能能力相当好，硬度退化削减的现象几乎没有出现，抗破坏的能力相当强大。

2 钢管混凝土拱桥的结构设计

钢管混凝土拱桥简称CFST拱桥，在设计初期，首要考虑的是桥梁的功能性作用。通过调研使用率、车流量等等，进而决定桥梁的建筑规模和承重结构。规模根据其主跨径和矢跨比的不同可分为大中小跨径桥梁。一般来说常用跨径在80～280m的范围内，常用矢跨比为1/5～1/4。钢管混凝土拱桥主要由拱肋、立柱或吊杆、横撑、行车道系、下部构造等部分组成。拱肋的截面形式主要有六种，根据不同规格的桥梁，采用不同的截面形式。像对于大跨径的拱桥来说，用格构式的截面形式较好，这样一来，可以充分利用钢管混凝土材料，同时还保证了整座桥梁受力的充分性以及完整性。在拱肋施工时，首先分段加工钢管，然后现场拼装钢管拱，接着向管内灌注混凝土，一道道工序按部就班完成下来，最后形成钢管混凝土拱桥。

通过对拱桥横向联系构造的分析，来决定采用哪一种方式的横撑。在桥面以下，K式和X式两者皆可，一方面，K式和X式的横撑具有足够的支撑力，保证桥梁上方行驶的安全性，并且保证河道的安全畅通，另一方面，这种设计简洁大方。也有在桥面以下不设横撑的情况，在稳定性能够满足要求的前提下，若桥梁自身构造可以满足一定的支撑力，那么横撑将没有存在的必要，而且还可以节省原材料。横撑的设置也有讲究，通过分析，桥梁中央即拱顶处的受力是最大的，因此此处通常采用稳定性最优的材料作为横撑，然后以此横撑为对称中心线，两边依次设置等数量的横撑来均衡受力，达到受力平衡。这样的横撑布置能显著地提高拱肋的稳定系数。

在节点构造上，当钢管的构件受到挤压时，必须保证基本构件不受破坏而对桥梁产生影响，多年施工经验下编写的规范中有几种具体的钢管对接方式，选择要视具体情况而定。在填充时，要注意混凝土的配合比，防止因过稀导致管内空隙太大，或者过浓对钢管产生挤压性破坏。

3 钢管混凝土拱桥设计过程中的注意事项

在设计初期就要考虑到后期使用的长久性。在现如今的桥梁建筑中，有一个全寿命周期过程的概念。全寿命周期过程是指，在设计阶段就考虑到产品寿命历程的所有环节，将所有相关因素在产品设计时分阶段得到综合规划和优化的一种设计理论。全寿命周期设计意味着，不仅仅要完成好整个工程的设计，而且要考虑到后续的使用与后期的维护，这涉及到损坏、检查、修护、再循环利用的过程。因此，桥梁的全寿命设计方法可以定义为综合统筹考虑桥梁寿命周期的主要阶段，均衡考虑各方面问题，通过成本分析寻求安全性、耐久性、美观性，是一个基于全寿命周期过程的概念。施工的前中后期都要面面俱到，安全性要达到规范要求，成本控制在合理范围内，对周边生态环境无不良影响。比如，钢管混凝土拱桥必须考虑钢管拱肋、系杆、吊杆和其它金属结构的防腐措施，应配合设计充分考虑吊杆和系杆的维修、更换等措施，以保证桥梁结构在运营期间的安全性和耐久性。

4 结语

本文通过对钢管混凝土拱桥的优良特性、结构设计以及注意事项三方面的简要分析，可以看出钢管混凝土拱桥是实际建设过程中可操作性非常强的一种桥梁，多年的经验和理论成果也可以证明优秀的钢管混凝土拱桥设计能够简化施工工艺，缩短施工工期，提高桥梁的使用寿命。在实际的设计过程中，严格按照钢管混凝土拱桥设计的相关章程及标准，灵活根据现场实际情况进行修正变通，合理地按实施步骤进行施工，将理论与实际相结合，及时整理相关操作经验，为我国钢管混凝土拱桥的进一步发展做出贡献。

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