钢管混凝土桥梁受力性能分析

张岩

【摘要】本文的混凝土损伤模型考虑了应力峰值前的损伤，损伤变量D值在应力峰值处连续。运用该模型推导了混凝土矩形截面梁的正截面承载能力表达式，并与弹性梁的承载力进行了对比，分析了不同损伤状态下混凝土截面的应力分布规律及相应的承载能力。

【关键字】损伤；钢筋混凝土梁；弯曲应力；计算

桥梁按照结构体系可以分为简单体系拱桥和拱梁组合体系桥。拱梁组合体系桥过去常用于钢拱桥之中，对于钢筋混凝土拱桥由于拱肋自重较大，无论是结构上还是施工上都存在着不小的困难，所以采用较少。随着钢管混凝土在拱桥中的应用，拱梁组合桥在我国得到了大量的应用，尤其是在城市、平原和软弱地基桥位的中小跨径桥梁。

一、桥梁的特点：

在简单体系的拱桥中，行车道系不参与主拱承受荷载，只有主拱肋是全桥受力结构。拱梁组合桥是将行车道系与主拱按照不同的构造方式组合成整体，共同承受荷载。系杆拱桥是最常见的一种拱梁组合桥，当桥面高程受到严格限制而桥下又要求保证较大的净空，或当墩台基础地质条件不良易发生沉降，但又要保证较大跨径时，系杆拱桥具有相对的优越性。根据拱肋和系杆相对刚度的大小，系杆拱桥可分为柔性系杆刚性拱、刚性系杆柔性拱和刚性系杆刚性拱种体系。对于后2种桥型，由于在荷载作用下系杆还要承担一定的弯矩，它又可称为系梁。在系杆拱桥中，拱肋产生的推力全部或大部分由系杆承担，系杆承受较大的轴向拉力。

钢管混凝土拱梁组合桥主要是刚（系）梁刚拱的组合体系。拱肋为钢管混凝土结构，系梁为预应力混凝土结构。在拱脚处和端横梁固结，结构不仅具有较大的竖向刚度，而且存在更为强大的侧向刚度，因此能显著增强拱肋的空间稳定性。由于外部为静定结构，下部结构类似梁桥受力，可应用于软弱地基桥位处。当需采用多孔结构时，它不存在连拱作用问题。但拱梁组合桥是内部超静定结构，吊杆内力的大小直接影响着成桥时结构各部位特别是纵梁的线形和内力分布。吊杆的设计与施工、拱脚节点的处理、系梁预应力束的张拉调整以及支座的构造均是拱梁组合体系拱桥成桥技术的关键。钢管混凝土在拱梁组合体系拱桥的应用，不仅充分发挥了钢管混凝土抗压性能好的优点，而且减轻了桥梁上部结构的自重，大大提高了拱梁组合桥的跨越能力。同时，拱肋采用钢管混凝土结构，空钢管拱肋架设自重轻，易于实现无支架施工或少支架施工。

二、施工特点

根据受力特性，钢管混凝土拱梁组合体系桥梁上部结构的施工主要有“先梁后拱”、“先拱后梁”和整体架设等。 “先梁后拱”主要应用于跨径不是很大的桥梁。据统计，在40座已知施工方法的钢管混凝土拱梁组合体系桥梁中，有18座采用了“先梁后拱”的施工方法。这种施工方法的关键是预应力系梁。系梁的施工与其他梁式桥相似，可采用有支架现浇或少支架拼装。有时系梁先架设劲性骨架，然后挂模板现浇混凝土。之后在系梁上架设空钢管拱肋，灌注管内混凝土和进行桥道系及其他施工。应该指出的是，采用劲性骨架施工系梁时会使结构的用钢量上升，箱形系梁的壁厚增大，自重增大，且施工过程系梁的线型控制较为困难。对于跨径较大、通行条件较高的桥梁，“先梁后拱”的施工方法中，系梁施工的难度增大，因此更多地采用“先拱后梁”的施工方法。杭州复兴大桥、辽宁丹东月亮岛大桥的上部结构施工就采用了“先拱后梁”的施工方法。这种施工方法先安装主拱肋，再利用主拱肋及柔性吊杆分段安装系梁。拱肋安装时要临时固定在墩台上，在系梁形成后再转换成永久支座。同时，在系梁发挥作用之前，拱所产生的水平推力要由下部结构承受，所以要求下部结构及基础的刚度较大，或要采用临时系杆。“先拱后梁”要求拱肋本身具有较大的刚度和较强的稳定性，系梁的高度相对较小。桥梁施工方法的选择还必需考虑桥位的施工条件、施工的技术水平和施工设备等因素。对于钢管混凝土拱梁组合桥梁，当桥梁需跨越已建成高等级公路、水上交通繁忙的航道时，采用整体拖拉就位的无支架施工方法就可以大大降低对桥下通行、通航的影响。这种施工方法先将空钢管、系梁、临时横撑在桥梁的两岸形成空间骨架，然后再利用浮船等运输设备将结构整体安装在下部支承上。我国的江南一带，河网众多，具有较好的浮运条件，因此有一些桥梁采用了这种施工方法。：钢管混凝土拱梁组合桥桥型分析迁泗阳二号桥、江苏京杭运河高邮二桥等。

三、结构与构造

钢管混凝土拱梁组合体系桥梁，由于具有较大刚度的系梁，桥面上荷载通过系梁均匀地分布到各吊杆再传递到拱肋，因此拱肋轴线一般设计为二次抛物线，使拱的受力状态达到最佳。在本文统计的已知拱轴线型的40座钢管混凝土拱梁组合体系桥梁中，有33座桥梁拱轴线采用了二次抛物线，比例超过了80%。钢管混凝土拱梁组合体系桥梁的矢跨比不宜取得过小。矢跨比越小，系梁配置的预应力束就越多，其截面尺寸也越大，桥面的建筑高度就越大，并且由活载引起的附加内力也越大。对于需布置横撑的桥梁，采用较大的矢跨比还对横撑的布置有利，不至于使过往的车辆和行人产生压抑感。根据本文的统计资料，钢管混凝土拱梁组合体系桥梁的矢跨比大都为1：5，只有7座桥梁的矢跨比小于1：5，其比例仅占已知矢跨比桥梁的16%。

钢管混凝土拱梁组合体系桥梁的拱助和系梁均承受弯矩和纵向力。荷载产生的弯矩是按是按供肋和梁两都刚度比进行分配的，因此拱肋，系梁截面设计的合理，不仅使拱肋系梁受力均匀，用材经济，而且可以使全桥外形协调美观。系梁拱截面一般设计成等宽；在靠近拱脚处，有些桥梁的系梁高度、宽度均变大，这样有利于两者的连接。

拱梁组合体系桥梁是一种结构形式极富变化的桥式，拱肋、系梁、吊杆等主要受力构件均有多种布置形式。吊杆的布置形式一般有竖直吊杆、斜吊杆 （尼尔森体系）、网状吊杆3种形式。钢管混凝土拱梁组合体系桥梁的吊杆一般竖直布置，斜吊杆、网状吊杆由于构造和施工均比较复杂，在我国应用很少，目前只有宣杭铁路东苕溪大桥采用了尼尔森吊杆体系。这种吊杆布置形式大大减小了拱肋和系梁的弯矩，能充分发挥拱梁组合体系拱肋受压的特点，缩小拱肋尺寸，节省材料。同时斜吊杆拱梁组合体系桥梁的刚度也较大，因此吊杆布置形式的优化是提高拱梁组合体系桥梁跨径的可能途径之一。

对于一般的钢管混凝土拱梁组合体系桥梁，合理布置拱肋间的横撑是保证拱肋横向稳定最可行的方法之一。此外，钢管混凝土拱梁组合体系桥梁的桥面系刚度较大，吊杆的非保向力作用可以大大提高结构的横向稳定性，因此在桥面较宽而跨径又不大时，出于经济和美观考虑，有部分桥梁取消了拱肋之间的横撑，成为敞口拱桥，如浙江义乌篁园桥、杭州新塘桥、温州南塘河桥等。无风撑拱桥一般通过提高拱肋截面自身的橫向抗弯刚度来保证结构的面外稳定性。横向圆端形截面（浙江义乌篁园桥、杭州新塘桥、陕西宝鸡广元路渭河大桥）、横哑铃形截面（内蒙古呼和浩特金川大桥）等都是为提高拱肋自身横向抗弯能力而采取的截面形式。结构体系的选择也是拱桥提高面外稳定性的重要途径。提篮拱桥不仅大大提高了拱的横向稳定，而且具有优美的建筑造型。与钢筋混凝土提篮拱桥相比，钢管混凝土提篮拱桥的施工更便捷，因此在中下承式钢管混凝土拱桥中出现了不少提篮拱桥。在钢管混凝土拱梁组合体的桥梁中，也有采用提篮式拱肋的桥梁，如宣杭铁路东苕溪大桥、无锡市南郊华清大桥，这2座桥拱肋内倾角度分别为13°和14°。

钢管混凝土在桥梁上的应用，使拱梁组合体系桥梁在我国得到了长足的发展，钢管混凝土拱梁组合体系桥梁在结构体系和施工方法上都具备了较大的跨越能力。