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钢管混凝土拱桥的现状与发展戴卫卫1，陈可2（1柳州市投资建设发展有限公司广西柳州545000；2西南交通大学土木工程学院四川成都610031）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。1钢管混凝土拱桥的应用现状钢管混凝土应用于拱桥，始于20世纪30年代末，苏联建造了跨越列宁格勒涅瓦河101m的下承式钢管混凝土公路拱桥和位于西伯利亚跨度达140m的上承式钢管混凝土铁路拱桥。此后相当长的时间内，世界范围内再没有修建这种类型的桥梁。1990年,我国第一座钢管混凝土拱桥——四川旺苍东河大桥建成，该桥为跨径115m的下承式刚架系杆拱桥。它是我国在钢管混凝土结构理论研究与实际应用上的新的突破，对我国钢管混凝土拱桥的发展影响是巨大的。由于钢管混凝土结构在桥梁上的应用，同时解决了拱桥高强度材料应用与施工两大难题，因此，钢管混凝土拱桥在我国得到迅猛的发展。近二十年时间里，我国共修建了200多座钢管混凝土拱桥。如1995年建成的广东南海三山西大桥，主桥为45m+200m+45m带悬臂钢管混凝土中承式刚架系杆拱桥，主拱肋采用等截面横哑铃形桁式，用预应力钢绞线作为系杆，平衡主拱与边拱的不平衡推力。2000年建成的广东丫髻沙大桥，主桥为76+360+76m三跨连续中承式钢管混凝土刚架系杆拱桥，跨径居当时同类型桥梁之最，施工采用竖向转体与水平转体相结合的方法，转体重量也是国内之最。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。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。我国第一座铁路钢管混凝土拱桥—水柏铁路北盘江大桥，2002年建成，主桥结构为上承提篮式钢管混凝土拱，拱脚中心跨度236m，拱肋横向内倾6.5°，采用水平转体施工，该桥的建成对推动钢管混凝土拱桥在我国铁路桥梁中的应用具有重大的意义。此外，较为典型的还有：广西三岸邕江大桥(主跨270m)，湖北武汉汉江五桥（主跨280m），广西南宁永和大桥（主跨349.5m），广东东莞水道大桥（主跨280m），湖南南县茅草街大桥（主跨368m），宜昌长江铁路大桥(主跨264m)，安徽黄山太平湖大桥（主跨336m）等。目前在建的跨度较大的钢管混凝土拱桥有湖北支井河大桥、湘潭湘江四桥等。湖北支井河大桥，主桥为上承式有推力钢管混凝土拱桥，主拱跨径为430m，失跨比为1/5，拱肋为变高度钢管混凝土桁式拱肋，采用斜拉悬臂施工。湘江四桥主桥为120+400+120m钢管混凝土斜拉飞燕式拱桥。边跨与主跨跨度比为0.3。结构以拱结构受力为主，辅以斜拉索受力的组合结构体系。边跨拱脚、主跨拱脚、索塔均固结于拱座。主拱为中承式双肋无铰平行拱，拱轴线为高次抛物线，采用6管桁架截面。边拱拱肋为上承式，双肋横向内倾，拱轴线采用1.45次抛物线。主跨桥道系采用悬吊体系。2钢管混凝土拱桥的理论研究现状随着钢管混凝土拱桥的应用发展，我国对钢管混凝土拱桥的理论研究也迅速开展起来。国家自然科学基金资助项目《钢管混凝土拱桥抗震理论研究》、《大跨度钢管混凝土拱桥施工过程变形及应力模拟》、《核心混凝土收缩、徐变对钢管混凝土拱桥静力性能影响研究》及西部交通建设科技项目《钢管混凝土拱桥设计、施工、养护关键技术研究》等课题正在研究之中或部分已结题。由重庆交通科研院主编的《钢管混凝土拱桥设计规范》、《钢管混凝土拱桥施工技术规范》于2004形成了报批稿。有关标准规范在修订中也增加了钢管混凝土拱桥的内容。由于钢管混凝土拱肋由钢管和管内混凝土组成，目前工程界存在着两种设计计算方法[2]。一种是从架设钢管拱肋开始，采用应力叠加法分别计算钢管和管内混凝土的应力，分别对钢和混凝土的应力采用容许应力法进行验算。另一种方法，则是在施工阶段进行应力验算，而对成桥后的受力视钢管混凝土为整体，采用内力叠加法计算内力，然后进行整体和局部构件的承载力验算。陈宝春教授建议钢管混凝土拱桥对施工过程的验算，在管内混凝土形成强度以前应以钢结构进行验算，可遵循现行的公路桥规中对钢桥的规定，按采用容许应力法验算；钢管混凝土拱肋形成后的施工过程和成桥，均应以钢管混凝土结构按采用极限状态法进行验算，考虑初应力与徐变等因素的影响，而不应按应力迭加计算应力、按容许应力法进行强度验算。此外，大量论文及论著介绍了钢管混凝土拱桥的理论研究成果。在计算理论方面，对钢管混凝土拱桥的初应力、温度、管内混凝土收缩徐变、拱肋刚度计算取值、挠度限值、节点局部应力、节点疲劳、动力性能、极限承载力及稳定等问题进行了大量研究，取得了可喜的成果，这些研究为钢管混凝土拱桥的进一步发展提供了理论基础。但总的来说,有关钢管混凝土拱桥的理论研究尚不够系统与深入，距形成成熟的计算理论还有相当的差距,还有许多工作要做。3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。4钢管混凝土拱桥目前存在的问题回顾和总结国内外钢管混凝土拱桥发展的历史和经验，不难发现当前还存在一些急需解决的问题：（1）理论研究相对滞后，跟不上发展步伐，对钢管混凝土拱结构的受力性能研究才刚刚开始，没能突出钢管混凝土这样一种特殊的组合材料，特别对受力中钢管对混凝土的紧箍力考虑不够；（2）钢管混凝土拱桥的有限元计算理论缺乏统一性，空间分析中，对计算模型的研究不多；（3）钢管混凝土拱桥中，钢管混凝土拱肋是典型的压弯构件，理论分析中对钢管混凝土组合材料在复杂受力状态下的本构关系还不明确；（4）稳定问题突出，稳定性、极限承载力研究还不完善；（5）核心混凝土收缩徐变的研究尚处于初步阶段，对于管内混凝土徐变目前还没有一个普遍认可的计算模式，在对徐变影响的分析方面，主要集中于钢管与混凝土应力变化方面，对刚度、变形与稳定等方面的影响研究还不够深入；（6）温度变化对钢管混凝土拱桥受力性能影响研究不够充分，其“相当合拢温度”或称“计算合拢温度”还有待进一步研究，以供制订规范时参考；（7）已建成的钢管混凝土拱桥常出现拱背混凝土脱空的现象；(8)钢管混凝土桁架节点与柔性吊杆的疲劳问题，研究不够深入；（9）大跨度钢管混凝土拱桥具有明显的柔性特征，其动力与抗震性能研究得还不够。(10)设计人员往往套用钢拱桥或钢筋混凝土拱桥的规范，进行钢管混凝土拱桥的设计计算，随着钢管混凝土拱桥的不断发展,对其专门规范的制定要求更加迫切。上述问题存在，将在今后相当长时间内成为制约拱桥发展的关键，必须依靠桥梁工作者共同努力、协同解决。5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。参考文献[1]陈宝春.钢管混凝土拱桥[M].北京:人民交通出版社,2007.[2]陈宝春.钢管混凝土拱桥应用与研究发展[J].公路,2008.[3]蔡绍怀.现代钢管混凝土结构(修订版)[M].北京:人民交通出版社,2007.[4]周念先.桥梁方案比选[M].上海:同济大学出版社,1997.[5]罗华莹.桥梁美学设计方法探索与研究[D].成都:西南交通大学硕士学位论文,2006.