钢管混凝土拱桥的稳定性分析探讨

张华强

【摘要】本文详细阐述了钢管混凝土拱桥的发展历史，重要性，同时讲述了此种桥结构的点。在说明拱桥的稳定性问题分类之后，对影响钢管混凝土拱桥稳定性的因素进行了分析、讨论。

【关键词】钢管混凝土拱桥；稳定性；宽跨比；含钢率；横撑

一、前言

进入二十世纪以来，我国经济水平飞速发展，带动着建筑、文化、科技等诸多方面一同朝着更高的方向迈进。在建筑领域，道路、桥梁等设施构成了经济发展的大动脉。高原铁路、公路，大型、特大型桥梁的建成，不仅方便了普通老百姓的出行，更是为国民经济的发展的有力保障。

桥梁，起着承前启后，联通两地的作用。尤其是在山间河谷、崇山峻岭之间，桥梁的作用更是毋庸置疑，不仅作为沟通的纽带，更具有颇高的美学价值，也是沿途一道亮丽的风景线。而这其中又数拱桥的美学价值最高。

拱桥在我国具有非常悠久的历史，不管是在数量、形式，还是技术水平上，我国都有着很高的成就。聪明智慧的祖先们已经将拱桥的技术应用的炉火纯青。现存世界上最古老的拱桥就是我国的赵州桥，距今已经有1400多年的历史，采用了“敝肩式”结构，即在大拱的两肩上再辟小拱，这在当时是石拱桥结构中最先进的一种。

拱桥的分类有很多，单从所采用的原材料来说，包括：石拱桥、钢拱桥、钢筋混凝土拱桥和钢管混凝土拱桥[1]。而在目前，值得每一个中国桥梁人骄傲的是，这四种拱桥的世界跨径纪录都在中国境内。最长跨径为550米的上海卢浦钢拱桥。在目前的设计施工中，混凝土拱桥应用最广。我国的桥梁人也在设计施工过程中积累了丰富的经验，为后续混凝土拱桥的设计、施工奠定了扎实的基础。

二、钢管混凝土拱桥技术特点

随着近年来各种新技术、新装备的不断出现，钢管混凝土拱桥技术以其独特的优点，逐渐获得了桥梁设计师和普通民众的青睐，该技术也发展迅速。如图1所示，为苏州寒山（马运）大桥的实景照片。钢管混凝土拱桥的特点包括：

图1. 重庆巫山钢管混凝土拱桥

1. 桥身曲线造型优美，线条流畅，张弛有度。高贵优雅与气势宏伟合二为一。

2. 采用钢管和混凝土两种材料，共同施工。拱肋的形状、样式设计灵活，因地制宜，在满足功用的前提下可以进行一些合理的改进设计，保证桥梁的功用和美学价值合二为一。

3. 由于特殊的桥体形状，对拱桥支脚处产生两个方向的力，一是竖直压力，二是水平推力。

4. 在钢管拱桥主要承重结构拱肋中，所受的截面弯矩比其他形式桥梁结构要小，有利于提高桥体的整体跨度。

5. 在桥身的整体结构中，混凝土等材料主要受到压应力，而这些材料的具有良好的抗压能力，避开了其抗拉能力不足的缺点，充分利用了材料的力学性能，提高了材料力学性能的利用率。

6. 钢管混凝土组合结构，具有良好的塑性和韧性，施工方便，同时耐火性能良好，最重要的是，承载力高，稳定性好[2]。

7. 钢管混凝土组合也有自身的缺点，例如面内外的稳定性差，灌注混凝土的时候无法填实钢管内部等等[3]。

8. 钢管混凝土拱桥施工快捷、方便，具有良好的经济性。

三、拱桥的稳定性问题

拱桥作为一种压弯结构，在设计、施工、使用过程中，不可避免的要牵扯到稳定性的问题。拱桥的稳定性问题大致分为两类，包括一类稳定和二类稳定[4]。

1. 一类稳定

一类稳定是指，拱在平衡位置出现了分支，即在外力的作用下，系统原来的平衡状态被打破，从而转向另外一种平衡状态。此类稳定问题包括两种，第一种为：加载在拱上的载荷逐渐增大到某一数值的时候，拱的轴线在竖直平面内偏离原始的变形状态，向反对称的平面挠屈，称为平面内屈曲；另外一种就是拱的轴线偏離竖直平面，转向空间扭曲变形，称为拱的侧倾。如图2所示的屈曲形式即为一类稳定问题。

图2 一类稳定问题

在分析一类稳定问题的时候，假设结构在失稳状态发生在线弹性小变形的范围内，拱结构内部所收到的应力与外部载荷呈比例关系，把结构的稳定性转化为求解特征值的问题。得出的最小特征值就是失稳临界荷载。第一类稳定分析计算以分支点稳定理论作为基础，具有如下的特点：计算较为简便，概念清楚。但是也具备自身的不足，那就是只能用于理想结构，不能考虑各种初始缺陷的影响，缺乏实际应用的普遍性[4]。

2. 二类稳定

第二类稳定问题较第一类稳定问题复杂，拱结构在受到非对称荷载的时候，结构在竖直方向和水平方向都产生了一定的变形和移位。同时，在荷载不断增大的情况下，两个方向的变形量在一定范围内相继增加。最后，当拱所受的荷载达到了极限值的时候，即临界荷载，两个方向的变形量将会迅速增加。将此类失稳问题称之为极值点失稳，也称第二类失稳。如图3所示[5]。

图3 二类稳定问题

在求解第二类稳定问题的时候，对于拱结构所能承受的极限载荷，通常采用非线性的数值分析方法。与一般材料的在线弹性范围内发生形变屈服状况不同，在第二类问题中，材料非线性破坏和几何非线性破坏在一共发生的同时，结构的极限承载能力也遭到破坏。这就使得其极限承载力既有可能发生在弹性屈曲临界荷载范围内，又有可能发生在弹性屈曲临界荷载范围之外[4]。

四、钢管混凝土拱桥的稳定性影响因素分析

钢管混凝土拱桥是一项庞大的系统工程，其稳定性受到诸多因素的影响。本文将结合苏州寒山大桥建设过程中遇到的各种问题，对钢管混凝土拱桥的结构稳定性影响因素展开讨论。

苏州寒山大桥原名马运大桥，位于苏州城西，横跨京杭大运河。大桥全长422m，设计荷载为城A级，主桥为三跨24m+84m+24m钢管混凝土无推力中承式系杆拱桥，主矢高21m，钢管拱肋为哑铃形截面，腔内灌注C50微膨胀混凝土。作为全桥施工过程中的最大亮点之一，寒山大桥钢管拱的拼装及架设取得了多项钢管拱桥梁施工技术的第一。