装配式空心钢管混凝土拱桥可行性研究

许红胜，何任珂，颜东煌，岳亚超，吴佳东

(长沙理工大学 土木工程学院，湖南 长沙 410114)

1 前言

空心钢管混凝土结构是目前主要用于建筑工程、电力工程中的常见结构形式，其主要采用工厂预制空心钢管混凝土构件，现场进行节点拼装，从而完成建造的预制装配化结构。相比传统的实心钢管混凝土(以下简称钢管混凝土)结构，空心钢管混凝土结构具有构件自重较小、钢管与管内混凝土协同受力性能良好、抗冲击性能良好、预制装配化程度高、无大体量管内混凝土筑填施工等优点。因此结合空心钢管混凝土的优势，对大跨度桥梁进行创新优化设计，可以达到减少桥梁混凝土用量、降低自重、缩短施工工期等目的。

钢管混凝土拱桥是一种钢-混凝土组合结构，将钢管内填充混凝土，使混凝土处于三向受压状态，可以提高混凝土抗压强度，外围薄壁钢管既能起到纵筋作用，又有箍筋作用。当前，钢管混凝土拱桥因为其出色的力学性能、方便的施工工艺和较短的整体施工工期，在大跨度桥梁中运用广泛，国内外不少专家学者对钢管混凝土拱桥做了大量研究分析。如研究并分析钢管混凝土拱桥灌注混凝土工序对其承载力的影响；钢管混凝土拱桥拱肋初应力的影响；钢管混凝土拱桥受力性能优化；大跨度钢管混凝土拱桥拱轴线线形优化以及拱肋施工误差对受力的影响等。

上述研究侧重分析初应力、拱轴线、施工工序等对钢管混凝土拱桥的影响，并针对具体影响因素进行钢管混凝土拱桥优化设计。目前尚未有针对空心钢管混凝土构件用于钢管混凝土拱桥的应用研究文献，该文以某特大桥为依托提出创新思想——空心钢管混凝土构件替代钢管混凝土构件用于拱桥上下弦杆的新型拱桥结构形式，将新方案与原设计方案进行对比，研究拱肋内力与挠度实际受到的影响和优化效果。

2 工程概况

依托大桥为计算跨度482 m的上承式钢管混凝土变截面桁架拱桥，拱轴线采用悬链线，拱轴系数m=1.6，矢高h=96.4 m，矢跨比f/L=1/5，拱轴系数m=1.6，拱脚高度为13.0 m,拱顶高度为8 m。拱肋拟采用外径1 360 mm，暂定拱肋上、下弦杆均采用壁厚35 mm圆形钢管,如图1所示，新方案使用外径1 360 mm，壁厚35 mm ，50%空心率圆形空心钢管混凝土作为拱肋上、下弦杆,如图2所示。钢管拱肋暂定采用内法兰盘栓接和管外焊接的形式进行对接，拱上立柱采用排架式空心钢箱结构，立柱间用横联连接。主桥桥面系主梁为波形钢腹板组合梁。桥面系采用钢-混叠合梁，跨径组合为3×(4×40) m引桥+(15×34.2) m主桥+(2×40+2×30) m引桥，桥面板宽15.55 m。某特大桥立面布置图如图3所示。

图1 原钢管混凝土拱肋横截面图(单位：mm)

图2 空心钢管混凝土拱肋横截面图(单位：mm)

图3 某特大桥立面布置图(单位：cm)

原主拱圈设计采用钢管混凝土作为拱肋上、下弦杆，考虑到钢管混凝土大跨度拱桥自重大，拱脚推力较大，建议使用空心钢管混凝土作为拱肋上、下弦杆。

3 有限元计算模型

该特大桥尚处于设计阶段，有限元模型的建立参照平罗高速公路大小井特大桥的部分设计内容，具体内容如下：① 钢管钢材型号及管内混凝土标号；② 各节段拱圈位置钢管壁厚设计；③ 横联与米撑的结构设计；④ 拱上立柱的结构设计。拱圈线形以给出的初步设计CAD图中的测绘数据为基础，结合拱轴悬链线进行复核。

根据以上信息，采用有限元软件SAP2000，建立钢管混凝土拱桥和空心钢管混凝土拱桥两套仿真计算分析模型，其中空心钢管混凝土取空心率50%，其余条件钢管混凝土与空心钢管混凝土均一致。模型采用简化框架模型，其中边界条件拱脚约束3个方向平移，桥面约束1个方向平移，有限元模型如图4所示。

图4 某特大桥有限元模型

4 有限元计算分析

4.1 工况组合

基于JTG D60-2015《公路桥涵设计通用规范》，主要考虑以下4种组合：组合1～3为基本组合，组合4为偶然组合，见表1。

表1 各工况组合

4.2 分析计算步骤

① 利用所参考的设计方案，使用SAP2000有限元分析软件计算各工况组合条件下，钢管混凝土拱桥成桥状态拱肋各位置内力；② 计算各工况组合条件下，空心钢管混凝土拱桥成桥状态拱肋各位置内力；③ 将所求得的钢管混凝土与空心钢管混凝土内力进行比较，用(Nhs-Ns)/Ns=δN、(Mhs-Ms)/Ms=δM(其中Ns为钢管混凝土轴力，Nhs为空心钢管混凝土轴力，Ms为钢管混凝土弯矩，Mhs为空心钢管混凝土弯矩，δN为弯矩减少程度，δM为弯矩减少程度)直观分析；④ 利用SAP2000有限元软件计算两者挠度并分析比较；⑤ 为确保两者满足承载能力要求的大前提，按照现有规范和规程初步判断两者承载能力是否达到要求。其中有限元计算和实际承载能力计算时，钢管和混凝土按照组合截面、组合材料考虑。

4.3 计算结果

为直观比较两种方案，按照以上分析计算步骤，通过使用SAP2000有限元分析软件计算，最终得到各工况组合条件下，最大内力同幅位置，钢管混凝土与空心钢管混凝土成桥状态下的轴力比较，结果如图5～9所示。

(a) 组合1

(c) 组合3

(b) 组合2

(d) 组合4

图5 组合4钢管混凝土与空心钢管混凝土成桥状态下轴力对比图

(a) 横向弯矩

(b) 纵向弯矩

(a) 横向弯矩

(b) 纵向弯矩

(a) 横向弯矩

(b) 纵向弯矩

(a) 横向弯矩

(b) 纵向弯矩

从图5可知：空心钢管混凝土拱桥与钢管混凝土拱桥轴力有显著差异，截面结构形式的不同与拱肋轴力变化存在明显相关性，使用空心钢管混凝土代替钢管混凝土作为拱肋上、下弦杆，各组合、各位置在成桥状态下上、下弦拱肋轴力整体降低。在成桥状态下，采用空心钢管混凝土代替钢管混凝土上、下弦杆轴力变化如表2所示，由表2可知：各组合都反映出轴力降低的变化情况，其中拱脚处上弦杆轴力减小程度最大，对拱脚下弦杆减小程度最小，而其他位置轴力都有明显降低，平均降低超过20%。

表2 空心钢管混凝土代替钢管混凝土后上、下弦杆轴力变化 %

导致轴力整体下降的直接原因是使用50%空心率的空心钢管混凝土代替钢管混凝土，减小了主拱圈拱肋整体混凝土用量，从而使该桥梁自重显著降低。总体而言，使用新方案，在成拱之后，减轻了桥梁整体自重，对于拱桥拱肋轴力的减少起到了一定作用，并且拱脚处轴力的降低会导致拱座受到的推力减少，从而改善拱座施工整体的经济性。

从图6～9可以看到：在成桥状态下各组合绝大部分反映出横向弯矩会因为空心钢管混凝土代替钢管混凝土而增加(仅组合3、4状态下L/8拱肋下弦杆有两处略微减少)。在成桥状态下，空心钢管混凝土代替钢管混凝土后，上、下弦杆弯矩变化如表3所示。

表3 空心钢管混凝土代替钢管混凝土后上、下弦杆弯矩变化 %

由表3可知：空心钢管混凝土替换钢管混凝土后产生一些不利影响，如各组合条件下L/4拱肋下弦杆纵向弯矩都会增加，均超过80%；但纵向弯矩在3L/8拱肋下弦杆均有较大减少，在3L/8拱肋上弦杆均有减少，在拱顶下弦杆均有较小的减少。拱桥拱脚处弯矩过小，对比意义不大，该处不对拱脚处进行分析。

进一步地，对钢管混凝土拱桥与空心钢管混凝土拱桥在不同组合下各个截面弯矩进行对比，结果如表4所示。由表4可知：拱桥除在组合4情况下L/4处、组合1和2情况下拱顶处，空心钢管混凝土拱桥截面弯矩超过钢管混凝土拱桥截面弯矩外，其他位置空心钢管混凝土拱桥截面弯矩均小于钢管混凝土拱桥截面弯矩。

表4 空心钢管混凝土代替钢管混凝土后拱桥截面弯矩变化 %

综合两种拱桥各位置上、下弦杆与截面之间弯矩变化可得：空心钢管混凝土拱桥与钢管混凝土拱桥因为自重和刚度不同且这两种因素相互影响，钢管混凝土拱桥自重大、弦杆刚度小，同组合情况下，对比同一个位置弯矩是不相等的，可以明确两种拱桥之间整个主拱圈截面弯矩图不存在一个包裹另一个现象，所以空心钢管混凝土拱桥与钢管混凝土拱桥在不同组合、不同位置各有优势。

运用SAP2000有限元软件，对钢管混凝土与空心钢管混凝土按以下3种情况进行挠度分析对比：① 一次成桥下恒荷载作用；② 一次成桥下活荷载(汽车荷载)单独作用；③ 一次成桥下活荷载与其他荷载(风荷载和人群荷载)作用。各位置挠度比较如图10所示。空心钢管混凝土代替钢管混凝土后各截面挠度变化见表5。

(a) 情况①

(b) 情况②

(c) 情况③

表5 空心钢管混凝土代替钢管混凝土后各截面挠度变化 %

从图10和表5可见:在3种情况下，大部分位置出现空心钢管混凝土挠度大于钢管混凝土的情况，L/4和L/8拱肋处，空心钢管混凝土挠度大于钢管混凝土挠度，但整体而言同一位置空心钢管混凝土和钢管混凝土挠度相差较小，均不超过7 mm。导致两种方案挠度产生差异的因素在于拱桥自重降低和抗弯能力减弱。其中自重降低与挠度降低呈正相关，混凝土用量降低导致抗弯能力降低，这与挠度降低呈负相关，两者综合影响导致空心钢管混凝土拱肋与钢管混凝土拱肋挠度相差较小。两种方案挠度虽有差异，但采用新方案亦能够满足主拱圈线形要求，对桥梁整体安全性影响不大，拱桥拱脚挠度过小，此处不做比较分析。

4.4 承载能力分析

考虑轴心受压的位置。两种方案拱脚处弯矩过小，偏心距可忽略不计，均按轴心受压判断。由JTG/T D65-06-2015《公路钢管混凝土拱桥设计规范》、CECS254:2009《空心钢管混凝土结构技术规程》可知：现有钢管混凝土受压承载力计算公式为：γN≤φiKpKdfscAsc,空心钢管混凝土受压承载力计算公式为：N0=kck2Ah0φfh。通过计算,可得该工程实例钢管混凝土与空心钢管混凝土轴心受压承载力如表6所示。由表6可知：新方案会使受压承载力下降28.05%。由图5(c)可知：钢管混凝土拱桥最不利位置(拱脚下弦)轴力为52.54 MN，空心钢管混凝土拱桥最不利位置(拱脚下弦)轴力为43.51 MN，两者均小于自身轴心受压承载力，按轴心受压考虑基本满足要求。

表6 受压承载能力比较

通过CECS 254:2009《空心钢管混凝土结构技术规程》、《空心钢管混凝土结构技术规程理解与应用》现有公式：M0=γmWhfh，可计算出空心钢管混凝土受弯承载力为13 470 kN·m，由SAP2000有限元分析软件得到所有截面弯矩结果均小于该值，受弯承载力满足要求。根据JTG/T D65-06-2015《公路钢管混凝土拱桥设计规范》要求，当钢管混凝土拱桥偏心受压时，弯矩与轴力同时考虑，计算出偏心受压承载力，其结果满足偏心受压承载力要求即可。

5 结论

(1) 由SAP2000有限元仿真分析结果和理论计算结果进行对比可知，拱肋上、下弦杆采用50%空心率空心钢管混凝土与钢管混凝土结构，均能满足承载能力要求。使用空心钢管混凝土代替钢管混凝土后能降低自重，理论计算显示在能够保障拱桥整体安全性能的同时，又能提高桥梁整体施工中的经济性。

(2) 拱肋上、下弦杆采用空心钢管混凝土，上、下弦杆轴力均得到明显降低，其中拱脚上弦杆轴力降低程度最明显，拱肋上、下弦杆L/8、L/4、3L/8、拱顶处均有较明显减低。拱脚处轴力降低直接使拱座推力大幅度减少，从而能够降低拱座混凝土体积及其施工工期，节约工程成本，产生直接经济效益。

(3) 拱肋上、下弦杆采用空心钢管混凝土代替钢管混凝土，在不同位置上弦杆的弯矩、主拱圈截面弯矩和挠度均有变化。空心钢管混凝土拱肋下弦杆L/4弯矩增加较为明显，而空心钢管混凝土拱桥主拱圈截面L/8弯矩减少较为明显。各位置截面弯矩均远小于受弯承载力，挠度变化不明显，对拱桥整体安全性影响不大。

(4) 从空心钢管混凝土代替钢管混凝土作为拱肋的分析结果可知，空心钢管混凝土拱脚处轴力明显比空心钢管混凝土拱桥其他位置大，后续工作可考虑在拱桥拱肋上、下弦杆使用空心钢管混凝土的同时，在最不利位置或关键位置使用钢管混凝土，以保障桥梁的安全性能。