鋼管混凝土拱橋結構分析與設計

摘 要：近年來，我國鋼管混凝土拱橋無論是在理論研究，還是在工程應用方面都有了很大的提升。本文就從鋼管混凝土的優良特性、結構設計以及相關的注意事項方面，簡要地分析討論鋼管混凝土的拱橋設計，供今后的設計提供一些參考。

關鍵詞：鋼管混凝土拱橋；結構特性；設計分析

0 前言

從1990年我國第一座鋼管混凝土拱橋建成通車到現在，鋼管混凝土拱橋已經走過了二十多年的發展歷史。現在，這種設計的優良特性已經越來越顯著的顯現出來，同時，在多次橋梁建設過程中也積累了許多經驗。

1 鋼管混凝土拱橋的優良特性

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雜橋梁結構的需要；混凝土則相反，彈塑性很強，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構上將兩者的優點結合了起來。鋼管的加入可以使混凝土處于側向受壓狀態，使其抗壓強度成倍提高。同時由于混凝土的存在，鋼管的剛度提高了，兩者共同發揮作用，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填充混凝土，這時混凝土正好處于三向受壓狀態，從而使得混凝土的抗壓強度顯著提高。

鋼管還可以作為施工模板，方便混凝土的澆筑。通常在施工過程中，鋼管可以直接用作承重骨架，因為鋼管的重量相對較小，方便拆卸，易于安裝，可在任何環境下組合搭建。橋梁建設中有了鋼管的加入，將大大提高工程效率，縮短工程周期。

根據理論分析和實驗論證，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。按混凝土規范的相關計算公式可以知道，兩者的結合，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。這種巧妙的結合在力學構造上也具有非常大的優點，由于鋼管混凝土拱橋具有處于三向受壓狀態的特點，因此抗壓能力相應提高。根據相關實驗數據，鋼管混凝土軸向壓縮到原長的3/4，軸向表面已經被破壞，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，吸能能力相當好，硬度退化削減的現象幾乎沒有出現，抗破壞的能力相當強大。

2 鋼管混凝土拱橋的結構設計

鋼管混凝土拱橋簡稱CFST拱橋，在設計初期，首要考慮的是橋梁的功能性作用。通過調研使用率、車流量等等，進而決定橋梁的建筑規模和承重結構。規模根據其主跨徑和矢跨比的不同可分為大中小跨徑橋梁。一般來說常用跨徑在80～280m的范圍內，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、下部構造等部分組成。拱肋的截面形式主要有六種，根據不同規格的橋梁，采用不同的截面形式。像對于大跨徑的拱橋來說，用格構式的截面形式較好，這樣一來，可以充分利用鋼管混凝土材料，同時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，首先分段加工鋼管，然后現場拼裝鋼管拱，接著向管內灌注混凝土，一道道工序按部就班完成下來，最后形成鋼管混凝土拱橋。

通過對拱橋橫向聯系構造的分析，來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，這種設計簡潔大方。也有在橋面以下不設橫撐的情況，在穩定性能夠滿足要求的前提下，若橋梁自身構造可以滿足一定的支撐力，那么橫撐將沒有存在的必要，而且還可以節省原材料。橫撐的設置也有講究，通過分析，橋梁中央即拱頂處的受力是最大的，因此此處通常采用穩定性最優的材料作為橫撐，然后以此橫撐為對稱中心線，兩邊依次設置等數量的橫撐來均衡受力，達到受力平衡。這樣的橫撐布置能顯著地提高拱肋的穩定系數。

在節點構造上，當鋼管的構件受到擠壓時，必須保證基本構件不受破壞而對橋梁產生影響，多年施工經驗下編寫的規范中有幾種具體的鋼管對接方式，選擇要視具體情況而定。在填充時，要注意混凝土的配合比，防止因過稀導致管內空隙太大，或者過濃對鋼管產生擠壓性破壞。

3 鋼管混凝土拱橋設計過程中的注意事項

在設計初期就要考慮到后期使用的長久性。在現如今的橋梁建筑中，有一個全壽命周期過程的概念。全壽命周期過程是指，在設計階段就考慮到產品壽命歷程的所有環節，將所有相關因素在產品設計時分階段得到綜合規劃和優化的一種設計理論。全壽命周期設計意味著，不僅僅要完成好整個工程的設計，而且要考慮到后續的使用與后期的維護，這涉及到損壞、檢查、修護、再循環利用的過程。因此，橋梁的全壽命設計方法可以定義為綜合統籌考慮橋梁壽命周期的主要階段，均衡考慮各方面問題，通過成本分析尋求安全性、耐久性、美觀性，是一個基于全壽命周期過程的概念。施工的前中后期都要面面俱到，安全性要達到規范要求，成本控制在合理范圍內，對周邊生態環境無不良影響。比如，鋼管混凝土拱橋必須考慮鋼管拱肋、系桿、吊桿和其它金屬結構的防腐措施，應配合設計充分考慮吊桿和系桿的維修、更換等措施，以保證橋梁結構在運營期間的安全性和耐久性。

4 結語

本文通過對鋼管混凝土拱橋的優良特性、結構設計以及注意事項三方面的簡要分析，可以看出鋼管混凝土拱橋是實際建設過程中可操作性非常強的一種橋梁，多年的經驗和理論成果也可以證明優秀的鋼管混凝土拱橋設計能夠簡化施工工藝，縮短施工工期，提高橋梁的使用壽命。在實際的設計過程中，嚴格按照鋼管混凝土拱橋設計的相關章程及標準，靈活根據現場實際情況進行修正變通，合理地按實施步驟進行施工，將理論與實際相結合，及時整理相關操作經驗，為我國鋼管混凝土拱橋的進一步發展做出貢獻。

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