張濤

重慶交通大學 重慶 400074

1 鋼管拱與勁性骨架拱概述

鋼管混凝土是一種由鋼管與混凝土結合形成的新型復合材料，具有優(yōu)異的力學性能和施工方便性。鋼管混凝土在土木工程中具有多方面的應用，如房屋建筑、港口建設、橋梁建筑以及特種工程等。而鋼管混凝土在拱橋中的應用，恰好解決了拱橋設計里的高強度材料和無支架施工兩大難題，使得停滯多年的拱橋技術得到了進一步發(fā)展。鋼管混凝土拱橋具有跨徑大、地基適應性好、用料省、安裝重量輕、施工簡便、承載能力大、造型優(yōu)美等優(yōu)點，目前鋼管混凝土拱橋有鋼管拱和勁性骨架拱兩種形式。

1.1 鋼管拱

鋼管拱是一種以各種形狀的鋼管為骨架（一般是圓形），內填高強混凝土，鋼管管壁外露制成拱肋的肋拱橋，鋼管混凝土在鋼管拱橋建設過程中，初期作為施工骨架，后期作為承重部分，以使用荷載為控制荷載。鋼管拱橋的結構形式多樣，有上承式拱、中承式拱、飛燕式拱、拱梁組合體系橋和下承式剛架系桿拱橋。鋼管拱的截面形式多為桁架布置形式，很少布置成單管形或者啞鈴形，因為單管形、啞鈴形在大跨度拱橋中，截面剛度和穩(wěn)定性較小。我國從20世紀50年代開始起步研究鋼管混凝土，截至目前鋼管拱橋已修建400多座，應用范圍非常廣泛[1]。

1.2 勁性骨架拱

勁性骨架拱是一種以型鋼或鋼管混凝土作為受力筋和勁性骨架，再外包混凝土形成主拱圈的拱橋。目前修建的許多橋梁（如滬昆鐵路北盤江大橋）由于鋼管混凝土各個方向的應力均勻，受力性能好，采用鋼管混凝土作為勁性骨架，而較少采用型鋼。用鋼管混凝土作為勁性骨架的勁性骨架拱橋又稱內填外包型鋼管混凝土拱橋。勁性骨架在勁性骨架拱橋中，作為澆筑混凝土的模板和支架，實現(xiàn)了無支架施工；作為受力筋，提高了拱圈的剛度和抗壓強度。鋼管混凝土的主要作用還是作為勁性骨架，荷載作用則是混凝土與勁性骨架共同承擔。勁性骨架拱橋拱圈形式也是多種多樣，按拱圈形式可為肋拱式，也可為板拱式。肋拱式按肋的截面形式，又可分為工字形和箱形。板拱的截面形式一般是箱型截面，因為箱型截面自重輕、抗扭剛度大，整體性比較好。 目前已修建的勁性骨架拱橋有四川內江新龍拗大橋、萬州長江大橋、廣西邕江邕寧大橋等。

2 鋼管拱與勁性骨架拱對比

2.1 構造形式對比

鋼管拱橋采用鋼管混凝土作為承重結構，以成橋后的承重荷載作為鋼管拱圈的控制荷載，鋼管混凝土結構屬于內填式，鋼管內部填充混凝土，外部外露；勁性骨架拱橋采用型鋼或鋼管混凝土主要作為勁性骨架方便施工，其次作為受力鋼筋與混凝土共同承重，鋼管混凝土結構屬于內填外包式，鋼管內部填充混凝土，外部再以混凝土包裹。鋼管拱橋由于鋼管外露，其防腐防銹能力比較差，耐久性能不如勁性骨架拱橋，后期養(yǎng)護花費比較嚴重；勁性骨架拱橋由于需要在勁性骨架外包混凝土，混凝土收縮徐變現(xiàn)象對結構力學行為影響嚴重，易出現(xiàn)下?lián)系痊F(xiàn)象[2]。

2.2 性能對比

兩種橋型都運用了鋼管混凝土，都具有抗壓抗拉能力大、塑形能力強、施工性能好的特點，都解決了拱橋里的兩大難題--無支架施工與材料強度，都避免了對混凝土配筋的過程，降低了施工復雜度，提高了拱橋的承載力。但是，兩者雖都運用了鋼管混凝土，但是其作用是不同的。鋼管拱橋中鋼管混凝土主要作為承重結構，其次是作為勁性骨架方便施工，控制荷載是使用荷載；勁性骨架拱橋中鋼管混凝土主要作為勁性骨架方便施工，其次是作為受力鋼筋與混凝土共同承重，其控制荷載是施工荷載。在相同的承載能力下，勁性骨架拱的用鋼量更省。在溫度荷載作用下，鋼管拱橋因鋼管外露受溫度影響大，二次應力對鋼管混凝土結構影響嚴重。勁性骨架拱橋相比鋼管拱橋還具有剛度大、變形小、動力性能好的特點，適合于修建鐵路橋。但勁性骨架拱橋含鋼率較鋼管拱低，自重更大，跨越能力不如鋼管拱。

2.3 施工對比

兩種橋型都需要搭建勁性骨架，搭建方法也都相似，常用懸索吊裝法、轉體施工法，具體使用方法與實際情況和橋型選擇有關。兩者施工搭建上不同的是勁性骨架搭建完后的處理--勁性骨架拱橋比鋼管拱橋多了一步對對鋼管拱進行外包混凝土處理。這一點差異使勁性骨架拱的施工周期比鋼管拱的周期增長了許多，施工階段穩(wěn)定性降低，而且結構體系轉換次數(shù)增多，使得拱圈截面幾何物理特性在施工過程中不斷變化，結構受力十分復雜，不易把控承載能力。

3 發(fā)展方向

鋼管拱橋與勁性骨架拱橋各有各自的優(yōu)點與缺點，鋼管拱橋的優(yōu)點是自重輕，強度大，施工較勁性骨架拱橋簡單，缺點是耐久性不如勁性骨架拱橋，容易出現(xiàn)銹蝕問題，溫度影響較勁性骨架拱橋要嚴重一些；而勁性骨架拱的優(yōu)點就是造價相對經濟，結構剛度大、動力性能好，缺點是施工步驟相比鋼管拱橋要多，施工階段受力比較復雜，混凝土收縮影響嚴重。所以作者認為鋼管拱的發(fā)展方向是大跨徑拱橋，鋼管拱橋由于自身重量輕，承載能力強，所以可用于大跨徑的拱橋建設。而勁性骨架拱橋，由于其動力性能好，其發(fā)展方向是鐵路橋，當然也可用于小跨徑橋梁建設[3]。

4 結束語

鋼管拱橋和勁性骨架拱橋作為兩種運用新型材料拱橋，相比傳統(tǒng)拱橋其性能優(yōu)勢非常明顯。新材料帶來科技進步的同時也提出了許多新問題，如鋼管混凝土的本構關系，鋼管混凝土在拱橋中的有限元計算缺乏統(tǒng)一性，鋼管混凝土中的初始應力問題，脫空問題等，這些都有待于相關科研人員進一步努力。

[1]陳寶春.鋼管混凝土拱橋設計與施工[M].北京:人民交通出版社,1999:11-17.

[2]陳寶春.我國鋼管混凝土拱橋應用現(xiàn)狀與展望[J].土木工程學報,2017,50(6):51-60.

[3]趙人達.我國鋼管混凝土勁性骨架拱橋發(fā)展綜述[J].橋梁建設,2016,46(6):46-49.