钢管混凝土混合结构设计原理及其在桥梁工程中的应用

钢管混凝土混合结构设计原理及其在桥梁工程中的应用

崔美佳

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摘要：钢管混凝土是--种轻质.高强的组合材料。近年来在桥梁工程中的应用已越来越多，是一种有效而经济的结构形式。钢管混凝土不仅已广泛用于拱式桥梁，在其他桥粱及桥粱的其他部位都已有应用。文章着重介绍了钢管混凝土在桥墩.连续刚构桥，斜拉桥和拱桥上的应用实例，并建议尽快完善桥梁设计规范中的相关内容，以促进钢管混凝土在桥梁工程中的应用与发展。

关键词：钢管混凝土；应用；实例；桥梁工程

1 前言

钢管混凝土是在圆形钢管内填入混凝土形成的一种轻质，高强的组合材料，是套箍混凝土的一种特殊形式。其基本原理是借助圆形钢管对核心混凝土的套箍约束，使核心混凝土处于三向受压状态，从而具有更高的抗压强度和压缩变形能力。钢管混凝土除具有强度高、重量轻，延性好，耐疲劳耐冲击等优越的力学性能外，还具有省工省料﹑架设轻便﹑施工快捷等优越的施工性能。大量试验表明，钢管混凝土的工作性能比较接近于钢，而塑性和韧性还胜于钢。钢管混凝土在桥梁中的应用是一种最有效，最经济的结构形式，因为：1)钢管对核心混凝土的套箍作用能有效地克服高强混凝土的脆性；2)钢管内无钢筋骨架，便于浇注；3)钢管外无混凝土保护层，能充分发挥高强混凝土的承载力。

钢管混凝土在桥梁工程中的应用越来越多，现简介如下。

2应用实例

2.1桥墩

日本秋田新干线某高架桥长约1km，其中 150m长路段为软土地带，采用填充土与水泥混合物的钢管桩并采用钢管混凝土桥墩。对高架桥桥墩采用填充混凝土的钢管，具有如下优点：1)施工快捷；2)承载力大，抗震安全系数高；3)结构柔细，与风景协调。其设计方法是将钢管截面积转换成钢筋截面积，并将它当作钢筋混凝土构件来计算。施工步骤为：1)在钢管桩顶部安装锚固架作为承台；2)使用25t吊机将钢管混凝土桥墩的钢管插人锚固架中；3)在墩身与钢管桩钢管接头处填充无收缩水泥浆，并将它们完全固定；4)浇注承台与地下梁的钢筋混凝土；5)在墩身钢管中填充混凝土。

2.2连续刚构桥

钢管混凝土在梁式体系桥梁中的应用刚刚起步，实例较少。但是，在同等跨径同样结构体系的情况下，钢管混凝土榆架连续刚构承载力利用系数比预应力混凝土连续刚构大，材料指标中除普通钢材用量较多外，预应力钢材用量大幅下降.混凝土用量也下降很多。由于上部结构轻型化导致下部结构也轻型化，经济效益更加显著。因此，具有广阔的应用前景。

2.2.1 向家坝大桥

向家坝大桥是湖北省秩归县归游公路上一座全焊钢管混凝土空间析架连续刚构桥，其跨径组合为：43m + 72.2m + 43m。主梁是一个四角椎体的空间析架，结构杆件布置合理，受力均匀。析架中的压杆受力符合钢管混凝土的材料特性，而且节点构造简单，施工方法又充分利用了空钢管骨架刚度大、重量轻的优点，采用在两岸组装﹑焊接后，平移到位合拢成桥，既节省设备，又节省材料.降低成本。该桥上部构造每m²桥面：混凝土0.35m²；钢管0.075t；型钢和钢管0.046t ；普通钢筋0.032t；钢绞线0.009t ，钢管混凝土空间析架下弦是钢管混凝土杆件，靠桥墩两侧第一节间杆件规格分别是$700x14mm和$700×20mm，其余为$559x8.7mm和$559 x12.7mm，其间设有2.2m的变直径段。两边上弦是「27型钢与混凝土组成的混合结构，中上弦是E33型钢与混凝土组成的混合结构。腹杆是在纵.横两个方向均倾斜的空间杆件。根据受力需要，两边跨的腹杆全部是钢管混凝土杆件，中跨腹杆有13根空钢管，其余全部是钢管混凝土。腹杆分3种规格：1根245x14mm， 10根巾245×12mm，其余全部是b245x8mm。上弦横梁是现浇钢筋混凝土杆件。主要设计标准为：设计荷载：汽—20级，挂—100，人群 3.5kN/m"；桥面净宽：净7.5m+2×1.0m。

2.2.2重庆万州大桥

重庆万州大桥主桥跨径组合为：75.4m +3 ×120m+75.4m。其上部构造为钢管混凝土析架变截面连续刚构，下部构造采用薄壁桥墩。钢管混凝土析架高5.252m，宽 15m，节间长度纵向6m ，横向5m。下弦采用3500mm的钢管混凝土．上弦采用4450mm的钢管混凝土，上平联采用140mm钢管，下平联采用159mm钢管，上、下弦采用245mm，如219mm钢管连成空间析架。主梁钢构件表面热喷涂铝镁合金防护。主梁钢管混凝土空间析架总长510.8m，分43段组拼，除第一和最后一段长9.29m外，其余均为12m。组拼步骤为：首先，析架在引道大样台上拼焊成12m基本段，然后由龙门吊吊运至拼装台拼成钢析架。钢析架就位采用多点分散、自动连续顶推施工工艺。钢析架顶推就位后，经过墩顶固结，应力调整﹑托架安装.拆除支墩，灌注钢管内混凝土等施工阶段而完成主桥钢析架的施工。主要设计标准为：设计荷载：汽一超20级，挂—120，人群3.5kN/m2；桥面净宽：净15m+2×3.0m。

2.3斜拉桥

对斜拉桥主梁来说，应力求提高材料强度，增大跨越能力；减小恒载，节约材料用量；简化结构，提高施工速度。采用钢管混凝土空间析架在这些方面具有明显优势。尽管目前实例不多，但此种类型桥梁桥非常轻盈，造价较低，同时充分利用了斜拉索作为顶推过程中的工作索，施工工艺简单、设备投入少。应用前景广阔，具有很强的生命力。

2.3.1紫洞大桥

紫洞大桥位于广东南海市，结构体系为塔﹑梁、墩三者固结的柔性连续刚构体系。跨径组合为：69m + 140m + 69m。该桥采用顶推法施工，边跨设临时墩，两端顶推，至主跨跨中合拢。悬臂较长时，拉几对长索，以减少悬臂弯矩。顶推就位后，钢管内浇注C40混凝土。主要设计标准为：设计荷载：汽一超20级，挂—120；桥面全宽：25.5mc

1)主梁：主梁为钢管混凝土空间析架组合梁式结构。钢管混凝土析架高3m，宽25.5m。主梁横截面为带悬臂的倒梯形，下弦钢管采用b299×12 mm.腹杆钢管为140x10 mm，上平联的纵.横杆件采用由r 20b及E30组成的组合截面、下平联钢管为140x6 mm。斜拉索的水平索距3m.与空间析架顺桥向节点间距相同。斜拉索与水平面的夹角为28°。

2)索塔：索塔以受压为主，属小偏心受压构件.采用高36m、管径1.83m的钢管混凝土单柱式塔柱结构。

2.3.2万安大桥

万安大桥位于重庆市万州区苎溪河天先桥处，主桥为双塔单索面钢管混凝土空间析架组合结构斜拉桥，跨径组合为：72 m + 140 m + 72m、用钢管混凝土杆件组成倒梯形主梁横截面，钢管混凝土析架高3.525m，宽21m。主桥施工采用先顶推合拢钢管混凝土空间析架，再逐步形成主梁组合截面的方法：索塔高36m，采用直径1.84m的钢管混凝土塔柱，塔梁墩固结，桥墩采用双薄壁钢筋混凝土柔性墩，斜拉索采用竖琴型索面布置。该桥已于2000年10月完成顶推合拢。

2.4拱桥

钢管混凝土应用于拱桥同时解决了材料强度高和施工工艺两大难题，给混凝土拱桥的发展注人了新的活力。从1990年我国第一座钢管混凝土拱桥-——四川旺苍大桥建成至1998年底，在我国已建和在建的钢管混凝土拱桥已100座，既有拱，梁组合体系的系杆拱桥，也有刚架拱桥﹑析架拱桥﹑集束式提篮拱桥等。钢管混凝土在拱桥中的应用主要有两类：第一类是带钢管混凝土劲性骨架的拱桥；第二类是钢管混凝土拱桥。钢管混凝土拱肋的截面形式有：单肢，双肢哑铃型，三肢格构式，四肢格构式，四肢梯形哑铃型、四肢双哑铃型等。

3结语

近年来，一些钢管混凝土结构的设计规程相继颁布实施，这些规程对钢管混凝土结构的推广应用具有重要的意义。但现有桥梁设计规范中尚未有钢管混凝土材料与结构的内容，影响了钢管混凝土在桥梁工程中的应用与发展。因此，尽快完善桥梁规范中相关内容显得尤为迫切。

参考文献

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