摘 要：鋼管混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點構(gòu)造復(fù)雜，對其研究尚存在很多問題。對其構(gòu)造節(jié)點處的靜力性能和動力性能研究也將成為今后的重要發(fā)展方向。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發(fā)展方向；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。
關(guān)鍵詞：鋼管混凝土；拱橋；梁式橋；鋼管混凝土空間組合桁架梁；預(yù)制橋面板
薄壁鋼管內(nèi)填充普通混凝土而形成的鋼管混凝土構(gòu)件演變基礎(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（材料強度/材料容重）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 鋼管混凝土的發(fā)展與應(yīng)用
早在19世紀80年代，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鐵路橋的橋墩采用了鋼管混凝土，1985年SakinoK等對圓形鋼管混凝土軸心受壓構(gòu)件進行了三種不同方式的加載試驗；1997年Knono等研究在鋼管中填充廢棄混凝土，其試驗表明具有良好的延展性，且可達到混凝土循環(huán)利用。我國開始將鋼管混凝土應(yīng)用于橋梁始于20世紀50年代，1963年北京地鐵車站采用了鋼管混凝土柱。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)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)的研究與應(yīng)用水平已提升至一個新高度。
2 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點
由于混凝土的存在，鋼管的剛度大大提高，而鋼管的套箍作用可使混凝土處于側(cè)向受壓狀態(tài)，成倍提高其抗壓強度。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)實驗數(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，兩者相互作用使鋼管內(nèi)部混凝土的破壞由脆性變?yōu)樗苄云茐模瑯?gòu)件的延性性能大大提高。
2.2承載力高
由于構(gòu)件受壓時，管內(nèi)混凝土處于三向受壓狀態(tài)，使鋼管混凝土強度明顯提高，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)實驗證明，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，在一些建筑中鋼柱常常要采用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)吸附性能特別好。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)填核心混凝土能夠吸收大量的熱量，因此遭遇火災(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)倒塌，因而鋼管混凝土結(jié)構(gòu)具有很好的耐火性。此外，經(jīng)實驗數(shù)據(jù)表明：達到一級耐火3h要求與鋼柱相比可節(jié)約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)約鋼材50%左右，較鋼筋混凝土柱可節(jié)約混凝土約70%左右，造價大幅度降低，且可減輕自重、節(jié)省模板。此外由于鋼管混凝土柱與普通混凝土柱相比，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 鋼管混凝土拱橋的發(fā)展及應(yīng)用
目前采用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發(fā)展方向。采用鋼管混凝土結(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，可以通過選擇合理的拱軸線，使其充分發(fā)揮鋼管混凝土抗壓承載力高的優(yōu)勢，節(jié)省材料。⑵鋼管混凝土結(jié)構(gòu)架設(shè)方便，可縮短工期，降低造價。⑶由于鋼管與混凝土特殊的結(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年代起我國開始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；重慶市萬縣長江公路大橋跨度達420m，成為當(dāng)時混凝土大跨度拱橋世界之最。經(jīng)過多年工程實踐，我國已形成一套完善的鋼管混凝土拱橋體系。
4 鋼管混凝土梁式橋的發(fā)展及應(yīng)用
目前我國橋梁工程中已有不少采用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)濟效益也非常顯著。
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承擔(dān)，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承擔(dān)負彎矩，充分發(fā)揮其抗壓受力性能，通過調(diào)整一些措施，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，展現(xiàn)出鋼管混凝土在斜拉橋中的發(fā)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)減少了斜拉索用量，其跨越能力大大增加。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，且主梁可在工廠制造，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方案中具有絕對優(yōu)勢，隨著社會的發(fā)展，對其跨徑的要求不斷提高，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。若采用鋼箱梁，其抗彎、抗扭及抗風(fēng)較好，但用鋼量大；若采用型鋼，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。由于鋼管混凝土具有重量輕、剛度大等優(yōu)點，采用鋼管混凝土空間桁架梁式結(jié)構(gòu)作為懸索橋的加勁梁，則可避免以上兩種結(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)橋梁的研究及發(fā)展趨勢
目前國內(nèi)外對鋼管混凝土的研究大多集中在結(jié)構(gòu)設(shè)計、力學(xué)性能等方面，對材料的研究相對較少，目前鋼管混凝土出現(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方法。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研究方向之一。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用現(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。因而研究與此種結(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)域中的發(fā)展。橋梁性能設(shè)計包括安全性能設(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，隨著社會的發(fā)展，人類對橋梁各種性能設(shè)計要求有所提高，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)計的方向發(fā)展。由于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點構(gòu)造復(fù)雜，對其研究尚存在很多問題。對其構(gòu)造節(jié)點處的靜力性能和動力性能研究也將成為今后的重要發(fā)展方向。鋼管混凝土中鋼管與混凝土的相互協(xié)同互補作用將成為理論研究熱點課題，此類課題研究也將進一步完善鋼管混凝土在橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。
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