钢管混凝土在桥梁工程中的优点及展望

 摘  要：钢管混凝土结构节点构造复杂，对其研究尚存在很多问题。对其构造节点处的静力性能和动力性能研究也将成为今后的重要发展方向。钢管混凝土结构符合拱桥建设中要求材料强度高和拱圈无支架施工及轻型化的发展方向；对于梁式体系桥梁，钢管混凝土不仅可以作为桁架受压杆件，也可作为拉杆来使用。

关键词：钢管混凝土；拱桥；梁式桥；钢管混凝土空间组合桁架梁；预制桥面板

薄壁钢管内填充普通混凝土而形成的钢管混凝土构件演变基础来自劲性钢筋与螺旋配筋混凝土，按截面形式的不同，分为圆钢管混凝土、方钢管混凝土和多边形钢管混凝土。钢管与混凝土协同作用，将钢管抗拉性能和混凝土抗压性能结合在一起，克服了混凝土材料比强度（材料强度/材料容重）小和钢管刚度小的缺点，两者结合在一起具有承载力高塑性和韧性佳。近年来，钢管混凝土结构以其优异性能在桥梁工程领域获得广泛应用。

1 钢管混凝土的发展与应用

早在19世纪80年代，钢管混凝土作为桥墩被应用于桥梁工程中，随后凭借其独特的力学性能，被广泛应用于桥梁结构的其他结构部件。1879年英国Severn铁路桥的桥墩采用了钢管混凝土，1985年SakinoK等对圆形钢管混凝土轴心受压构件进行了三种不同方式的加载试验；1997年Knono等研究在钢管中填充废弃混凝土，其试验表明具有良好的延展性，且可达到混凝土循环利用。我国开始将钢管混凝土应用于桥梁始于20世纪50年代，1963年北京地铁车站采用了钢管混凝土柱。随着科学技术的发展，大跨、高耸、重载桥梁的需求日益增高。我国四川省1990年建成的旺岗天桥为下承式系杆钢管混凝土桥，跨度110m；广州丫髻沙大桥为中承式钢架系杆钢管混凝土桥，跨度为300m；四川省巫山长江大桥为钢管混凝土拱桥，跨度为400m。这些桥梁的建成标志着我国钢管混凝土结构的研究与应用水平已提升至一个新高度。

2 钢管混凝土结构的优点

由于混凝土的存在，钢管的刚度大大提高，而钢管的套箍作用可使混凝土处于侧向受压状态，成倍提高其抗压强度。钢管混凝土组合结构将两者结合在一起，共同发挥作用。

2.1延性好

    据有关实验数据表明：钢管混凝土轴向压缩到原长的2/3时，但仍有一定的承载能力，剥去钢管后，内部混凝土虽已有很大程度的鼓凸褶皱，但仍保持完整。在压弯剪循环荷载作用下，其吸附能力强，两者相互作用使钢管内部混凝土的破坏由脆性变为塑性破坏，构件的延性性能大大提高。

2.2承载力高

由于构件受压时，管内混凝土处于三向受压状态，使钢管混凝土强度明显提高，此外内填混凝土可加强管壁稳定性，充分发挥混凝土优越性，使其具有很高的抗压强度和抗变形能力。经实验证明，钢管混凝土柱的抗压承载力为混凝土柱的一倍以上，同时抗剪承载力也比钢筋混凝土柱高出许多。

2.3抗震性能优越

抗震性能是指在地震或动载作用下，具有良好的吸能性和延性。在这方面，较钢筋混凝土构件，钢管混凝土构件抗震性能优越，在一些建筑中钢柱常常要采用很厚的钢板以确保局部稳定性，但还常发生塑性弯曲后丧失局部稳定，在压弯反复荷载作用下，弯矩曲率滞回曲线表明：钢管混凝土结构吸附性能特别好。因此，钢管混凝土柱的抗震性能也优于钢柱。

2.4耐火性能好

钢管混凝土内填核心混凝土能够吸收大量的热量，因此遭遇火灾时可减慢钢柱的升温速度，并且即使钢柱屈服，混凝土仍可承受大部分轴向荷载，防止结构倒塌，因而钢管混凝土结构具有很好的耐火性。此外，经实验数据表明：达到一级耐火3h要求与钢柱相比可节约2/3左右防火涂料，可降低造价。

2.5经济效果显著

据有关数据表明：较钢柱钢管混凝土柱可节约钢材50%左右，较钢筋混凝土柱可节约混凝土约70%左右，造价大幅度降低，且可减轻自重、节省模板。此外由于钢管混凝土柱与普通混凝土柱相比，免除了支模、拆模、绑扎钢筋等工序，缩短工期，其综合经济效果显著。

3 钢管混凝土拱桥的发展及应用

目前采用钢管混凝土作为拱桥劲性骨架的工程已有不少。钢管混凝土结构符合拱桥建设中要求材料强度高和拱圈无支架施工及轻型化的发展方向。采用钢管混凝土结构来修建拱桥具有如下几点优势：⑴钢管混凝土结构比较适用于轴心受压构件，拱式体系桥梁中，可以通过选择合理的拱轴线，使其充分发挥钢管混凝土抗压承载力高的优势，节省材料。⑵钢管混凝土结构架设方便，可缩短工期，降低造价。⑶由于钢管与混凝土特殊的结合方式，不存在混凝土开裂问题。凭借以上优势，自20世纪90年代起我国开始大量修建钢管混凝土拱式桥梁。1990年四川省旺苍县建成我国第一座钢管混凝土拱桥，跨度达115m；重庆市万县长江公路大桥跨度达420m，成为当时混凝土大跨度拱桥世界之最。经过多年工程实践，我国已形成一套完善的钢管混凝土拱桥体系。

4 钢管混凝土梁式桥的发展及应用

目前我国桥梁工程中已有不少采用钢管混凝土作为承重构件的工程实例，主要用于拱式体系桥梁，对于梁式体系桥梁，钢管混凝土不仅可以作为桁架受压杆件，也可作为拉杆来使用。因此由钢管混凝土杆件组成的桁架结构，与混凝土桁架或钢桁架相比，其经济效益也非常显著。

4.1钢管混凝土梁式结构受力特点

在荷载作用下，钢管混凝土空间组合梁式结构可承受弯矩、剪力及扭矩。钢管混凝土空间桁架组合梁式结构，跨中正弯矩则由组合结构混凝土顶板与作为下弦杆的钢管混凝土拉杆来承担，此拉杆可承受拉应力，也可事先施加预应力再作为拉杆来使用，因而无需再设置混凝土底板。对于承受负弯矩的截面，则由组合结构中预应力顶板与作为下弦杆的钢管混凝土压杆来承担负弯矩，充分发挥其抗压受力性能，通过调整一些措施，无需设底板。这是钢管混凝土梁式结构优越于其它梁式组合结构最为突出的表现。

4.2钢管混凝土梁式结构在斜拉桥应用中的优势

1956年瑞典建成世界上第一座钢管混凝土梁式斜拉桥，展现出钢管混凝土在斜拉桥中的发展优势。较混凝土斜拉桥，钢管混凝土斜拉桥主梁自重减轻，相应减少了斜拉索用量，其跨越能力大大增加。此外，钢管混凝土空间桁架组合梁式结构抗风性能优于混凝土箱梁，且主梁可在工厂制造，加快施工速度。

4.3钢管混凝土梁式结构在悬索桥应用中的优势

 悬索桥在特大跨径桥梁方案中具有绝对优势，随着社会的发展，对其跨径的要求不断提高，导致加劲梁的自重在结构总荷载中所占的比例越来越大。若采用钢箱梁，其抗弯、抗扭及抗风较好，但用钢量大；若采用型钢，其横桥向抗扭刚度以及抗风稳定点欠佳，且用钢量也较多。由于钢管混凝土具有重量轻、刚度大等优点，采用钢管混凝土空间桁架梁式结构作为悬索桥的加劲梁，则可避免以上两种结构缺点。此外，钢管混凝土空间桁架梁式结构在悬索桥中还具有现场易拼装、费用低、施工速度快等优点。

5 钢管混凝土结构桥梁的研究及发展趋势

目前国内外对钢管混凝土的研究大多集中在结构设计、力学性能等方面，对材料的研究相对较少，目前钢管混凝土出现一系列问题如钢管脱空、混凝土膨胀性能低、混凝土力学性能达不到要求等都可从材料方面找到解决方法。因而研制适用于大跨径钢管混凝土的超强高效减水剂、新型膨胀剂等成为钢管混凝土重要的研究方向之一。近些年钢管混凝土组合结构在我国已有不少工程实例，四川省万县长江大桥、广东南海紫洞大桥、四川干海子特大桥等都表明钢管混凝土在桥梁工程领域的巨大优势。然而已建成的钢管混凝土空间组合桁架梁桥桥面板多采用现浇混凝土，如将此种结构与预制桥面板相结合，能更大幅度加快施工速度。因而研究与此种结构相适应的预制桥面板也将很大程度的影响此种结构在桥梁领域中的发展。桥梁性能设计包括安全性能设计、使用性能设计、耐久性能设计、疲劳性能设计、景观性能设计、生态性能设计和服务性能设计，随着社会的发展，人类对桥梁各种性能设计要求有所提高，钢管混凝土结构桥梁势必也将朝着满足各种桥梁性能设计的方向发展。由于钢管混凝土结构节点构造复杂，对其研究尚存在很多问题。对其构造节点处的静力性能和动力性能研究也将成为今后的重要发展方向。钢管混凝土中钢管与混凝土的相互协同互补作用将成为理论研究热点课题，此类课题研究也将进一步完善钢管混凝土在桥梁结构中的应用。

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