1、哈尔滨工业大学交通科学与工程学院桥梁工程 2007第1节 概述 钢管混凝土工作的基本原理 钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成的构件 。钢管混凝土的原理可类比于螺旋配筋的钢筋混凝土柱来比拟：核心混凝土在密集的螺旋筋的作用下处于三向受压状态，因而使得核心混凝土的抗压强度明显提高 。由于钢管对混凝土的紧箍力作用，大大提高管内混凝土的承载力，反之，混凝土对钢管的约束作用，提高了钢管抗失稳的能力，二者结合是完美的 。 借助内填砼增强钢管壁的稳定性；借助内填砼增强钢管壁的稳定性； 借助钢管对核心砼的套箍作用提高砼强度借助钢管对核心砼的套箍作用提高砼强度哈尔滨工业大学交通科学与工程学院桥梁工程 2007
2、钢管混凝土的优点 构件承载力大大提高 具有良好的塑性和韧性 结构自重和造价均有降低 施工简单、缩短工期 防腐、防火性能好 结构造型美观特别适合于修建拱桥: 拱为压弯构件，钢管砼以受压为主； 拱桥施工问题。哈尔滨工业大学交通科学与工程学院桥梁工程 2007结构特点： 钢管本身就是耐侧压的模板 钢管本身就是钢筋 钢管本身又是劲性承重骨架 与钢结构相比，省钢材50%，与普通钢筋砼相比，面积省一半（用钢量相同时）哈尔滨工业大学交通科学与工程学院桥梁工程 2007 钢管混凝土结构充分发挥了混凝土的抗压能力及钢材的抗压、抗拉能力，主要用于承受轴向压力的构件。早期钢管混凝土结构多用于桥梁工程的基础工程之中。
3、随着对钢管混凝土构件工作性能的深入研究以及计算机技术的不断发展，从八十年代开始钢管混凝土开始用于拱桥结构。我们知道拱桥的拱圈是以承受轴向压力为主的构件，这恰好充分利用了钢管混凝土结构的优点。由于钢管混凝土结构的重量相对较轻，加之拱桥的转体施工技术，使得拱桥的跨径大幅度增加。此外钢管混凝土柱也大量地用于桥梁下部结构，以使得桥梁结构更加秀丽美观。 哈尔滨工业大学交通科学与工程学院桥梁工程 2007 钢管混凝土拱桥（Concrete Filled Steel Tubular Arch Bridge）简称CFST拱桥，其主跨径一般在40400m，矢跨比的范围在1/61/3。常用跨径在80280m，常用
4、矢跨比为1/51/4。我国第一座钢管混凝土拱桥即四川旺苍东河大桥始建于1990年10月，其跨度为115m，矢跨比为1/6。二十世纪建成的钢管混凝土拱桥中，跨径最大的是广西的三岸桥。其跨径为270m，矢跨比1/5，1999年建成。目前的钢管混凝土拱桥的最大跨径已达400m，是巫峡长江大桥，其矢跨比为1/5。 跨径：40400米 失跨比：1/31/6 拱轴线：悬链线或抛物线。哈尔滨工业大学交通科学与工程学院桥梁工程 2007第2节 钢管混凝土拱桥的基本组成、各部构造包括：钢管混凝土拱肋、立柱或吊杆、横撑、行车道 系、下部构造哈尔滨工业大学交通科学与工程学院桥梁工程 20071、拱肋构造 （1）拱肋
5、的截面形式 单肢圆管适用于跨径小于80m的钢管混凝土拱桥。 双肢哑铃截面常用于80150m的钢管混凝土拱桥，其拱圈的出平面刚度较小。 三肢构格式适用的跨径在80120m，但可以考虑取消横桥向风撑。 四肢格构式、四肢梯形单哑铃形及四肢双哑铃形断面常用于100500m跨径的钢管混凝土拱桥。哈尔滨工业大学交通科学与工程学院桥梁工程 2007(b)哑铃形截面(a)圆形截面(c)二肢桁式(d）横哑铃形桁式(e）混合式(f）四肢式(b)哑铃形截面(a)圆形截面(c)二肢桁式(d）横哑铃形桁式(e）混合式(f）四肢式哈尔滨工业大学交通科学与工程学院桥梁工程 2007拱肋构造 大跨径拱桥一般选择格构式截面，这
6、样一来，每一根弦杆基本上都是轴心受压构件，充分利用钢管混凝土材料。 钢管材料：16Mn钢、15Mn、或A3钢；可采用无缝钢管，也可采用钢板卷制而成，钢板厚度不宜小于12mm。 混凝土：高标号、高性能混凝土：免振自流平，微膨胀、低收缩、高强度，一般选择C50、C55哈尔滨工业大学交通科学与工程学院桥梁工程 2007拱肋施工 首先分段加工钢管 现场拼装钢管拱 灌注管内混凝土 形成钢管混凝土拱桥哈尔滨工业大学交通科学与工程学院桥梁工程 2007管内混凝土的灌注形成钢管混凝土拱肋，钢管主拱吊装焊接完成后，检测拱轴线和高程符合设计要求后即可进行管芯砼的浇注。主拱肋内砼灌注采用泵送顶升法，自两端拱脚一次对
7、称压注至拱顶。施工流程是：清洗管内污物人工浇捣拱脚封底砼润湿内壁安设压注口和砼闸阀压注砼从拱顶排气孔溢出部分砼从拱顶排气孔振捣混凝土关闭压注口闸阀稳定拆除闸阀完成压注。哈尔滨工业大学交通科学与工程学院桥梁工程 2007二、拱圈横向联系构造 （1）在桥面以下，可以采用刚度较大的K式或X式横撑，以加强拱脚段的横向刚度，又不致影响美观。K撑布置形式有两种，当为整体式桥台（墩），可采用如图7a式，当桥台（墩）为分离式时，采用图7b式。哈尔滨工业大学交通科学与工程学院桥梁工程 2007 在中等跨径的中承式拱桥中，桥面以下，拱脚附近也可不设横撑，一般也能满足要求，因为在固定横梁与工作之间的距离一般不大，中
8、间无需再设计横撑，稳定性也能满足要求。 （2）固定横梁。固定横梁既是支撑桥面的横梁，同时也是拱肋的横撑。固定横梁受力复杂，构造设计也复杂。可以做成钢结构或钢筋混凝土结构，但必须周密考虑其与拱肋的连接。哈尔滨工业大学交通科学与工程学院桥梁工程 2007 （3）桥面以上。如图8 。桥面以上的横撑一般设成奇数个，因为在拱顶出的横撑所起的作用较大，然后两边对称布置。横撑间距一般是吊杆间距的整数倍，可设置在吊杆的节点处。横撑可以径向布置（与拱轴线垂直）或竖向布置（与水平面垂直）。横撑形式可以设成“一”字横撑和“K”字横撑。拱肋在四分点处的相对搓动较大，因此较多的在四分点处设置强大的“K”撑，能显著的提高
9、拱肋的稳定系数 哈尔滨工业大学交通科学与工程学院桥梁工程 2007三、桥面系构造 桥面系直接承受车辆荷载 。 纵铺桥面板式（常用） 桥面板的形式哈尔滨工业大学交通科学与工程学院桥梁工程 2007四、横梁 横梁可以采用混凝土结构或钢结构制作。截面可以采用箱型，也可采用“T”形，“I”型等。桥面宽度在30m以下时可以采用预应力混凝土结构，为缩短横梁计算跨径，可采用简支双悬臂结构。30m以上时，建议采用钢结构，若再采用混凝土结构，截面尺寸太大，横梁自重大，不易吊装，也不利于拱肋的受力，令外粗大的横梁也破坏了桥梁的美观。哈尔滨工业大学交通科学与工程学院桥梁工程 2007五、立柱 在中承拱桥的上承部分，
10、需设置立柱，用来支承桥面系，是桥面系与拱肋之间的传力结构。主要有三种形式：钢筋混凝土立柱、钢管混凝土立柱和钢结构立柱。哈尔滨工业大学交通科学与工程学院桥梁工程 2007六、吊杆 吊杆的构造与一般的斜拉索基本相似，常用的就是平行钢丝和平行钢绞线两种，所用的锚具有冷铸锚、钝头锚以及夹片群锚。钢丝一般为5mm和7mm两种。我国已建成了多座专业的制索工厂，拉索的质量达到国际水平，可根据设计人员提供的参数进行生产，大大方便了拱桥的设计 哈尔滨工业大学交通科学与工程学院桥梁工程 2007吊杆的锚固 设计中，应该注意的就是吊杆的上下端的锚固构造设计。吊杆下端锚固与横梁，在预制横梁时应预留锚固空间及其相应的构
11、造。吊杆上端锚固与拱肋，可以直接穿过弦杆，锚于钢管上，也可设计专门的锚箱。并应该加强其防腐设计 图14 吊杆系统示意图哈尔滨工业大学交通科学与工程学院桥梁工程 2007钢管混凝土拱桥结构体系 可以做成上乘式 中乘式（有推力、无推力） 下乘式（系杆拱）哈尔滨工业大学交通科学与工程学院桥梁工程 2007第3节 设计计算 自锚式钢管混凝土拱桥为无铰拱，是高次超静定结构。目前对超静定结构的分析一般都是采用有限单元法。目前有很多成熟的商业有限元分析软件，如ANSYS、Sap系列等等。这些软件功能强大，都能出色的完成结构分析任务。哈尔滨工业大学交通科学与工程学院桥梁工程 2007需注意的几个问题1、截面刚
12、度取值问题 按钢管混凝土统一理论计算刚度 EscISC 弹性叠加法 EcIc+EsIs2、应力叠加与内力叠加3、截面的分阶段形成哈尔滨工业大学交通科学与工程学院桥梁工程 2007 (1) 混凝土未凝固 (2) 上弦杆混凝土凝固 (3) 上、下弦杆混凝土凝固 图6 施工中拱肋截面形成过程四肢管分两批灌注，首先，同时灌注两根上弦管；在上弦管混凝土达到设计强度，上弦管形成钢管混凝土截面以后，再同时灌注两根下弦管。上下游同时进行。钢管混凝土截面分二次形成。在灌注上弦管混凝土时，所有自重由空钢管混凝土承担（图6-1）；在浇筑下弦管内混凝土，新浇筑的混凝土重量由形成的一期钢管混凝土截面承受（图6-2）。待
13、下弦管内混凝土也达到强度后，形成最终的钢管混凝土截面（图6-3），后续发生的荷载都由钢管混凝土截面承受 钢管混凝土截面形成过程哈尔滨工业大学交通科学与工程学院桥梁工程 2007二、拱肋强度验算 总体上讲，整个拱肋属于压弯构件，将截面内力分解到每根弦杆上，弦杆基本上是轴心受力构件。因此，对于拱肋的验算有两项验算 ：（1）整体截面的面内整体稳定强度验算，按压弯构件进行。（2）单肢弦杆的强度验算，按轴心受力构件验算。哈尔滨工业大学交通科学与工程学院桥梁工程 2007（1）组合截面的面内整体稳定性验算 压弯构件的强度承载力按下式计算： 当N/Asc0.2fsc时： 当N/Asc0.2fsc时： scs
14、cscfWMAN5 . 1scscscfWMAN4 . 17 . 0哈尔滨工业大学交通科学与工程学院桥梁工程 2007压弯构件的稳定承载力按下式计算 当N/Asc0.2fsc时： 当N/Asc0.2fsc时：scEscscfNNWMAN)/4 . 01 (5 . 1scEscscfNNWMAN)/4 . 01 (4 . 17 . 0哈尔滨工业大学交通科学与工程学院桥梁工程 2007 式中：N、M计算截面的最大轴向力和弯矩，用于钢管混凝土拱桥计算时，应按公路桥规取用计算内力即Nj、Mj并应同时考虑NjmaxMj和MjmaxNj两种布载工况； Asc、Wsc构件的截面面积和截面抵抗矩； NE欧拉临
15、界力 Esc截面的组合弹性模量； sc构件长细比； fsc构件的组合强度设计值； 稳定设计安全系数， 22/scscscEAEN哈尔滨工业大学交通科学与工程学院桥梁工程 2007格构式压弯构件平面内整体稳定承载力按下式计算： 按换算长细比o（ox或oy）查得的验算平面内的稳定设计安全系数； 、 分别为格构柱截面总面积和对格构截面受压边的总抵抗矩； NE按换算长细比o（ox或oy）求出的格构截面的欧拉临界力，按下式计算： scEscscfNNWMAN)/1 (scAscW、 哈尔滨工业大学交通科学与工程学院桥梁工程 2007（2）单肢弦杆的强度验算，按轴心受力构件验算。 轴心受拉构件 钢管混凝土
16、轴心受拉时（含空心钢管混凝土），忽略管内混凝土的影响按钢管受拉计算，其承载力为： K钢管抗拉强度提高系数空心率 rco 、rci核心混凝土的外半径和内径；As钢管的截面面积， stoKfAN 214. 004. 01 . 1Kcocirr /哈尔滨工业大学交通科学与工程学院桥梁工程 2007轴心受压构件 钢管混凝土柱的抗压强度与其长细比有关。当钢管混凝土短柱承压时，其承载力按下式计算：scscoAfN 详细的关于钢管混凝土结构的材料性质、强度指标、验算方法参考以下书：1、钢-混凝土组合结构设计原理 黄 侨，人民交通出版社2、钢管混凝土结构，钟善桐 ，黑龙江科学技术出版社哈尔滨工业大学交通科学与工程学院桥梁工程 2007稳定验算 验算方法同一般拱桥的验算。一般采用有限元法计算的第1类稳定和第2类稳定哈尔滨工业大学交通科学与工程学院桥梁工程 2007其他各部件的计算 同一般的中下乘式拱桥
