走向21世紀(jì)的鋼管混凝土拱橋

    拱橋是我國公路上使用廣泛且歷史悠久的一種橋梁結(jié)構(gòu)型式。它外形宏偉壯觀,且經(jīng)久耐用[ 1 ]。拱橋作為壓彎結(jié)構(gòu),隨著跨徑的增大,高強材料的應(yīng)用受到穩(wěn)定問題的制約;而鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土拱橋由于自重較大,施工架設(shè)問題突出。高強材料的應(yīng)用和無支架施工的困難,制約了拱橋的發(fā)展。將鋼管混凝土應(yīng)用于拱橋能同時解決了拱橋材料高強化和拱圈施工輕型化的兩大問題。

1　鋼管混凝土拱橋概述

    鋼管混凝土作為一種組合材料,其工作的基本原理有兩點: (1)借助內(nèi)填混凝土增強鋼管壁的穩(wěn)定性; (2)借助鋼管對核心混凝土的套箍(約束)作用,使核心混凝土處于三向受壓狀態(tài),從而使核心混凝土具有更高的抗壓強度和壓縮變形能力。

    基于鋼管混凝土的工作機理,將其作為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用于大跨度拱橋的建造,可以較好地解決橋梁結(jié)構(gòu)所要求的用料省、安裝重量輕、施工簡便以及承載能力大等諸多要求。同時,鋼管混凝土將鋼材和混凝土有機地結(jié)合在一起,能大大地提高拱橋的跨越能力,并使材料性能得到充分利用。在施工方面,空鋼管架設(shè)吊裝重量輕,又可作為施工支架和內(nèi)填混凝土的模板,施工用鋼量省,而RT工廠化、工業(yè)化水平高,加快了施工的速度。由于在材料性能和施工方法上的優(yōu)越性,將其應(yīng)用于以受壓力為主的拱橋之中是十分合理的。它對于橋梁結(jié)構(gòu)節(jié)約材料、減輕自重、提高跨越能力、方便施工、縮短工期有著積極的意義。正由于鋼管混凝土拱橋具有自架設(shè)的施工優(yōu)勢及鋼- 混凝土共同受力的性能優(yōu)勢,這種橋型日益顯示出其強大的生命力。

2　國內(nèi)外鋼管混凝土拱橋的研究現(xiàn)狀

    國內(nèi)鋼管混凝土拱橋在橋梁工程中開始得到研究和應(yīng)用是在20世紀(jì)80年代。自1990年10月在四川省旺蒼縣首先采用纜索吊裝、無支架施工法建成跨度115 m的我國第一座鋼管混凝土拱橋以來,短短10多年間,鋼管混凝土拱橋如雨后春筍,在各地破土而出。據(jù)不完全統(tǒng)計,從1990 年到1994年間,已建和在建的鋼管混凝土拱橋達(dá)20 多座, 到1997年達(dá)40多座,到1998年則已達(dá)到60多座,到目前又已達(dá)到120多座,其發(fā)展速度之快,為中外建橋史所罕見。表1列出了5座國內(nèi)已建成的鋼管混凝土拱橋。

    鋼管混凝土在國外橋梁工程中的應(yīng)用已有100多年的歷史。早在1879年,英國的Severn鐵路橋建設(shè)中就采用了鋼管橋墩,當(dāng)時在管中灌注混凝土主要用來防止內(nèi)部銹蝕并承受壓力。鋼管混凝土應(yīng)用于拱橋結(jié)構(gòu),始于20世紀(jì)30年代末期,前蘇聯(lián)著名橋梁專家Perederiy教授用鋼管混凝土建造了跨越列寧格勒涅瓦河跨度101 m的拱梁組合體系。與此同時, 1939年, Rosnovskiy教授在西伯利亞也用鋼管混凝土建造了一座跨度達(dá)140 m的鐵路拱橋。法國已建的凱澤萊爾橋,主跨為220 m的下承式拱橋。日本的松島橋為126m跨徑的上承式鋼管混凝土拱橋。美國于1999年在芝加哥市修建了一座中承式鋼管混凝土拱橋(DamenAvenueArch) ,主跨74 m,橋長94 m,橋?qū)?119 m,拱肋采用直徑為5112 cm的鋼管,壁厚25 mm,拱肋間不設(shè)橫撐?？偟膩碚f,國外修建鋼管混凝土拱橋的跨徑較小,數(shù)量也不多,相關(guān)報道較少。

3　鋼管混凝土拱橋的優(yōu)缺點

    鋼管混凝土拱橋在短短的幾十年時間里,能得以飛速的發(fā)展,就其本身而言,鋼管混凝土拱橋具有以下優(yōu)點[ 3 ]、[ 4 ]。

3、1　跨越能力大、適應(yīng)能力強

    鋼管混凝土的承載能力大大高于鋼管、混凝土承載能力之和,因此,其跨越能力要高于一般的鋼筋混凝土肋拱。實踐證明,鋼管混凝土拱橋在100～400 m以內(nèi)具有很強的適

應(yīng)性和競爭力。

3、2　承載能力大,施工快捷

    鋼管對混凝土具有所謂的“套箍”作用,套箍作用主要體現(xiàn)在混凝土進入塑性階段以后,此時混凝土沿環(huán)向劇烈膨脹,而鋼管能有效約束這種膨脹,從而使混凝土處于三軸受力狀態(tài),強度得以大大提高。鋼管混凝土利用內(nèi)填混凝土增強管壁的穩(wěn)定性,又利用鋼管對核心混凝土的套箍作用,使鋼管混凝土的優(yōu)越性能得到充分發(fā)揮,具有很高的抗壓強度和抗變形能力,非常適合以偏心受壓為主的拱橋。施工時,鋼管充當(dāng)很好的模板,無需額外的腳手?