淺談鋼管混凝土在橋梁工程中的優(yōu)點及展望

Word版本，下載可自由編輯淺談鋼管混凝土在橋梁工程中的優(yōu)點及展望鋼管混凝土是在工程中常常會用到的，薄壁鋼管內(nèi)填充一般混凝土而形成的鋼管混凝土構(gòu)件演化基礎(chǔ)來自勁性鋼筋與螺旋配筋混凝土，按截面形式的不同，分為圓鋼管混凝土、方鋼管混凝土和多邊形鋼管混凝土。鋼管與混凝土協(xié)同作用，將鋼管抗拉性能和混凝土抗壓性能結(jié)合在一起，克服了混凝土材料比強度小和鋼管剛度小的缺點，兩者結(jié)合在一起具有承載力高塑性和韌性佳。近年來，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)以其優(yōu)異性能在橋梁工程領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

1鋼管混凝土的進展與應(yīng)用

早在19世紀80年月，鋼管混凝土作為橋墩被應(yīng)用于橋梁工程中，隨后憑借其獨特的力學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)的其他結(jié)構(gòu)部件。1879年英國Severn鐵路橋的橋墩采納了鋼管混凝土，1985年SakinoK等對圓形鋼管混凝土軸心受壓構(gòu)件舉行了三種不同方式的加載實驗；1997年Knono等討論在鋼管中填充廢棄混凝土，其實驗表明具有良好的延展性，且可達到混凝土循環(huán)通過。我國開頭將鋼管混凝土應(yīng)用于橋梁始于20世紀50年月，1963年北京地鐵車站采納了鋼管混凝土柱。隨著科學(xué)技術(shù)的進展，大跨、高聳、重載橋梁的需求日益增高。我國四川省1990年建成的旺崗天橋為下承式系桿鋼管混凝土橋，跨度110m；廣州丫髻沙大橋為中承式鋼架系桿鋼管混凝土橋，跨度為300m；四川省巫山長江大橋為鋼管混凝土拱橋，跨度為400m。這些橋梁的建成標志著我國鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的討論與應(yīng)用水平已提高至一個新高度。

2鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點

因為混凝土的存在，鋼管的剛度大大提升，而鋼管的套箍作用可使混凝土處于側(cè)向受壓狀態(tài)，成倍提升其抗壓強度。鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)將兩者結(jié)合在一起，共同發(fā)揮作用。

2.1延性好

據(jù)有關(guān)試驗數(shù)據(jù)表明：鋼管混凝土軸向壓縮到原長的2/3時，但仍有一定的承載能力，剝?nèi)ヤ摴芎?，?nèi)部混凝土雖已有很大程度的鼓凸褶皺，但仍保持完整。在壓彎剪循環(huán)荷載作用下，其吸附能力強，兩者互相作用使鋼管內(nèi)部混凝土的破壞由脆性變?yōu)樗苄云茐?，?gòu)件的延性性能大大提升。

2.2承載力高

因為構(gòu)件受壓時，管內(nèi)混凝土處于三向受壓狀態(tài)，使鋼管混凝土強度顯然提升，此外內(nèi)填混凝土可加強管壁穩(wěn)定性，充分發(fā)揮混凝土優(yōu)越性，使其具有很高的抗壓強度和抗變形能力。經(jīng)試驗證實，鋼管混凝土柱的抗壓承載力為混凝土柱的一倍以上，同時抗剪承載力也比鋼筋混凝土柱高出許多。

2.3抗震性能優(yōu)越

抗震性能是指在地震或動載作用下，具有良好的吸能性和延性。在這方面，較鋼筋混凝土構(gòu)件，鋼管混凝土構(gòu)件抗震性能優(yōu)越，在一些建造中鋼柱經(jīng)常要采納很厚的鋼板以確保局部穩(wěn)定性，但還常發(fā)生塑性彎曲后喪失局部穩(wěn)定，在壓彎反復(fù)荷載作用下，彎矩曲率滯回曲線表明：鋼管混凝土結(jié)構(gòu)吸附性能特殊好。因此，鋼管混凝土柱的抗震性能也優(yōu)于鋼柱。

2.4耐火性能好

鋼管混凝土內(nèi)填核心混凝土能夠汲取大量的熱量，因此遭受火災(zāi)時可減慢鋼柱的升溫速度，并且即使鋼柱屈服，混凝土仍可承受大部分軸向荷載，防止結(jié)構(gòu)崩塌，因而鋼管混凝土結(jié)構(gòu)具有很好的耐火性。此外，經(jīng)試驗數(shù)據(jù)表明：達到一級耐火3h要求與鋼柱相比可節(jié)省2/3左右防火涂料，可降低造價。

2.5經(jīng)濟效果顯著

據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)表明：較鋼柱鋼管混凝土柱可節(jié)省鋼材50%左右，較鋼筋混凝土柱可節(jié)省混凝土約70%左右，造價大幅度降低，且可減輕自重、節(jié)約模板。此外因為鋼管混凝土柱與一般混凝土柱相比，免除了支模、拆模、綁扎鋼筋等工序，縮短工期，其綜合經(jīng)濟效果顯著。

3鋼管混凝土拱橋的進展及應(yīng)用

目前采納鋼管混凝土作為拱橋勁性骨架的工程已有不少。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)符合拱橋建設(shè)中要求材料強度高和拱圈無支架施工及輕型化的進展方向。采納鋼管混凝土結(jié)構(gòu)來修建拱橋具有如下幾點優(yōu)勢：⑴鋼管混凝土結(jié)構(gòu)比較適用于軸心受壓構(gòu)件，拱式體系橋梁中，可以利用挑選合理的拱軸線，使其充分發(fā)揮鋼管混凝土抗壓承載力高的優(yōu)勢，節(jié)約材料。⑵鋼管混凝土結(jié)構(gòu)架設(shè)便利，可縮短工期，降低造價。⑶因為鋼管與混凝土特別的結(jié)合方式，不存在混凝土開裂問題。憑借以上優(yōu)勢，自20世紀90年月起我國開頭大量修建鋼管混凝土拱式橋梁。1990年四川省旺蒼縣建成我國第一座鋼管混凝土拱橋，跨度達115m；重慶市萬縣長江馬路大橋跨度達420m，成為當初混凝土大跨度拱橋世界之最。經(jīng)過多年工程實踐，我國已形成一套完美的鋼管混凝土拱橋體系。

4鋼管混凝土梁式橋的進展及應(yīng)用

目前我國橋梁工程中已有不少采納鋼管混凝土作為承重構(gòu)件的工程實例，主要用于拱式體系橋梁，對于梁式體系橋梁，鋼管混凝土不僅可以作為桁架受壓桿件，也可作為拉桿來使用。因此由鋼管混凝土桿件組成的桁架結(jié)構(gòu)，與混凝土桁架或鋼桁架相比，其經(jīng)濟效益也十分顯著。

4.1鋼管混凝土梁式結(jié)構(gòu)受力特點

在荷載作用下，鋼管混凝土空間組合梁式結(jié)構(gòu)可承受彎矩、剪力及扭矩。鋼管混凝土空間桁架組合梁式結(jié)構(gòu)，跨中正彎矩則由組合結(jié)構(gòu)混凝土頂板與作為下弦桿的鋼管混凝土拉桿來擔(dān)當，此拉桿可承受拉應(yīng)力，也可事先施加預(yù)應(yīng)力再作為拉桿來使用，因而無需再設(shè)置混凝土底板。對于承受負彎矩的截面，則由組合結(jié)構(gòu)中預(yù)應(yīng)力頂板與作為下弦桿的鋼管混凝土壓桿來擔(dān)當負彎矩，充分發(fā)揮其抗壓受力性能，利用調(diào)節(jié)一些措施，無需設(shè)底板。這是鋼管混凝土梁式結(jié)構(gòu)優(yōu)越于其它梁式組合結(jié)構(gòu)最為突出的表現(xiàn)。

4.2鋼管混凝土梁式結(jié)構(gòu)在斜拉橋應(yīng)用中的優(yōu)勢

1956年瑞典建成世界上第一座鋼管混凝土梁式斜拉橋，呈現(xiàn)出鋼管混凝土在斜拉橋中的進展優(yōu)勢。較混凝土斜拉橋，鋼管混凝土斜拉橋主梁自重減輕，相應(yīng)削減了斜拉索用量，其跨越能力大大增強。此外，鋼管混凝土空間桁架組合梁式結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能優(yōu)于混凝土箱梁，且主梁可在工廠創(chuàng)造，加快施工速度。

4.3鋼管混凝土梁式結(jié)構(gòu)在懸索橋應(yīng)用中的優(yōu)勢

懸索橋在特大跨徑橋梁計劃中具有肯定優(yōu)勢，隨著社會的進展，對其跨徑的要求不斷提升，導(dǎo)致加勁梁的自重在結(jié)構(gòu)總荷載中所占的比例越來越大。若采納鋼箱梁，其抗彎、抗扭及抗風(fēng)較好，但用鋼量大；若采納型鋼，其橫橋向抗扭剛度以及抗風(fēng)穩(wěn)定點欠佳，且用鋼量也較多。因為鋼管混凝土具有分量輕、剛度大等優(yōu)點，采納鋼管混凝土空間桁架梁式結(jié)構(gòu)作為懸索橋的加勁梁，則可避開以上兩種結(jié)構(gòu)缺點。此外，鋼管混凝土空間桁架梁式結(jié)構(gòu)在懸索橋中還具有現(xiàn)場易拼裝、費用低、施工速度快等優(yōu)點。

5鋼管混凝土結(jié)構(gòu)橋梁的討論及進展趨勢

目前國內(nèi)外對鋼管混凝土的討論大多集中在結(jié)構(gòu)設(shè)計、力學(xué)性能等方面，對材料的討論相對較少，目前鋼管混凝土浮現(xiàn)一系列問題如鋼管脫空、混凝土膨脹性能低、混凝土力學(xué)性能達不到要求等都可從材料方面找到解決辦法。因而研制適用于大跨徑鋼管混凝土的超強高效減水劑、新型膨脹劑等成為鋼管混凝土重要的討論方向之一。近些年鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)在我國已有不少工程實例，四川省萬縣長江大橋、廣東南海紫洞大橋、四川干海子特大橋等都表明鋼管混凝土在橋梁工程領(lǐng)域的巨大優(yōu)勢。然而已建成的鋼管混凝土空間組合桁架梁橋橋面板多采納現(xiàn)澆混凝土，如將此種結(jié)構(gòu)與預(yù)制橋面板相結(jié)合，能更大幅度加快施工速度。因而討論與此種結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的預(yù)制橋面板也將很大程度的影響此種結(jié)構(gòu)在橋梁領(lǐng)域中的進展。橋梁性能設(shè)計包括平安性能設(shè)計、使用性能設(shè)計、耐久性能設(shè)計、疲勞性能設(shè)計、景觀性能設(shè)計、生態(tài)性能設(shè)計和服務(wù)性能設(shè)計，隨著社會的進展，人類對橋梁各種性能設(shè)計要求有所提升，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)橋梁勢必也將朝著滿足各種橋梁性能設(shè)計的方向進展。因為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點構(gòu)