[科普中国]-钢管混凝土桥

施工工序

钢管混凝土拱桥的施工工序主要包括浇筑钢筋混凝土V形支墩与箱梁、空钢管拱肋合龙、系杆安装与张拉、拱肋混凝土灌注、吊杆安装与张拉、吊装桥面系横梁与纵梁、铺设桥面预制空心板、浇筑桥面混凝土、安装防撞墙、铺装桥面系沥青混凝土等。多跨连续钢管混凝土拱桥的施工一般采取由边跨向中间跨依次流水施工的施工顺序，待一道施工工序全桥完成以后，再进行下一道施工工序的施工。这样的施工方案的优点在于：最大限度的实现了各跨间的均匀加载，从而有效的保证了拱肋线型，使得V形支墩及拱肋内的应力较为均匀。1

特点钢管混凝土拱桥的拱肋是以受压为主的构件，且一般具有跨径大及宽跨比比较小的特点，因此其稳定性一直以来都是桥梁工程师所关注的问题。在大跨桥梁中，由于跨度一般比较大，所以都必须采用高强度材料，而且由于跨度的增加、承载力大，就要求提高其抗震能力，从而要求结构具有较好的延性和恢复能力。钢管混凝土组合材料用于拱桥中就能很好的满足以上问题。由于钢管混凝土具有很高的承载能力，它可以减少桥梁的自重，可以很大程度上改善大跨度拱桥的抗风能力和抗震能力，在风荷载作用的横向稳定性中，使用钢管混凝土拱桥，则可以根据需要把拱肋做成合理型式的曲桁架结构，还可以获得拱肋所必须的结构刚度，在保证构件整体稳定性的基础上，使拱肋结构避风面积小，所受风荷载减少，以到达改善桥梁横向稳定性能。2

性能钢管混凝土在受压时能够产生紧箍力，这是钢管混凝土具有特殊性能的基本原因。混凝土在高应力时，其泊松比的变化超过钢材，使得它的径向变形大于钢材的径向变形，从而在二者之间产生了渐增的相互作用力一紧箍力，而使混凝土呈现三向应力状态，使其承载能力大大提高。同时，钢管的套箍作用大大地提高了混凝土的塑性性能，使得高强混凝土的脆性弱点得以克服，同时由于管内混凝土的存在，也提高了薄壁钢管的局部稳定性，使其强度可以充分发挥。2

钢管混凝土的优点和缺点一、钢管混凝土的优点：

具有优越的力学性能： 其一，由于钢管的紧箍作用使混凝士处于三轴向受压应力状态,间接提高了混凝土的极限抗压强度。其二，由于混凝土的填充作用,提高了钢管抵抗局部屈曲的能力。钢管混凝土构件充分发挥混凝土和钢材的材料性能,提高了构件的承载能力,同时又具有较好的塑性和韧性,为高强混凝土和高强钢材的应用提供了广阔的途径。钢管混凝土结构防火性比RC结构差，比全钢结构强，防火涂料可省一半以上。

二、钢管混凝土的不足之处：

暴露在大气当中与空气和水分相接触,或与有害气体发生反应,造成钢的腐蚀。按其反应机理可分为化学腐蚀和电化学腐蚀：化学腐蚀过程不伴随电流的流动，钢材在高温工作条件下受到氧气，二氧化碳，硫化氢和卤素等气体的腐蚀，就属于化学腐蚀。钢材在腐蚀过程中伴随有电流流动的叫电化学腐蚀,钢材在潮湿空气中或在电解质溶液中的腐蚀,就属于电化学腐蚀。钢材按自然环境引起的腐蚀又可分为大气腐蚀，土壤腐蚀,海水腐蚀,淡水腐蚀和生物腐蚀等。钢管混凝土拱桥所处的自然环境引起的腐蚀主要为电化学腐蚀和大气腐蚀。3

疲劳分析管节应力集中的影响因素：(1)截面突变：这是产生几何应力的因素，应力集中一般都发生在截面突变的地方，对钢管混凝土拱桥来说，绝大多数管节点均是通过支管与主管焊接相连形成相贯节点，因此，在相贯线处产生应力集中现象。

(2)焊缝形状的影响：焊接缺陷主要是指焊缝中的裂纹、未焊透、咬边、气孔、夹渣等。由于这些缺陷的存在，使得焊缝局部产生应力集中。

(3)局部刚度的影响：

①荷载传递的因素在腹管受轴向拉力作用时，由于它的轴向刚度相比弦管径向刚度来说较大，所以可近似地认为沿腹管与弦管交接线上弦管位移相等。又由于弦管顶部垂直方向的刚度最小，所以在冠点处弦管对腹管的反作用也小，相贯线越向下，弦管的垂直方向刚度越大，在最深的鞍点处刚度最大，所以在鞍点弦管对腹管的反作用力也最大。因此，腹管传给给弦管的垂直载荷沿交接线的分布是不均匀的。根据应力按刚度分配的原则，弦管沿腹管方向刚度，冠点处刚度最小，分配的荷载最小，鞍点处刚度最大，分配的荷载也最大。

②弦管的横断面变形当腹管承受轴向拉力时，弦管受沿腹管方向的作用力而发生变形，由腹弦管之间的约束作用，会沿交接线处产生附加应力，对弦管，鞍点处产生正的附加应力，冠点处产生负的附加应力，这将使鞍点所受的拉应力加大，冠点的拉应力减小，甚至由原来的受拉变为受压。

③腹管的横断面变形当腹管受轴向力作用时，腹管直径将有缩小的趋势，但由于弦管的约束，腹管将产生弯曲应力，使腹管管壁外表面拉应力加大，腹管这一局部弯曲作用同时也影响到了弦管的应力分布。

④弦管管壁变形：由于弦杆管壁具有柔性，在腹管作用下，弦杆管壁沿相贯线将有局部弯曲的趋势，由此产生的弯曲应力也很大。

裂纹裂纹规律性：

(1)开裂的位置均在冠点焊趾附近，裂纹源分别有单源和多源两类，但最终均汇合形成主裂纹，裂纹深度~般在穿透主管壁后，裂纹便开始加速扩展。

(2)裂纹有沿相贯线向上和向下两个方向扩展的趋势，扩展的过程中，分两个阶段，第一个阶段，裂缝主要向冠点方唰扩展，其扩展速度要远大于向鞍点扩展的速度；第二个阶段，当裂纹向上完全延伸至冠点后，整条裂纹便加速向下扩展。

(3) 疲劳裂纹的扩展速率是一个由慢至快的过程，裂纹穿透壁厚前，速率较慢，穿透壁厚后，速率明显增加，且随裂纹长度的增加，速率也越来越快.

(4) 裂纹穿透主管壁厚后还有较长的裂后寿命，这是混凝土保证了管节点刚度的作用，因而以穿透壁厚时的寿命作为疲劳寿命判据是安全的.

影响焊接管节点疲劳性能的因素(1)残余应力的影响：外部荷载作用于结构产生疲劳损伤时，主要是应力脉的影响，而与荷载产生的最大应力关系不大，而焊接结构一般都有残余应力存在，残余应力在焊接结构中是必然存在的，焊接工艺的改善只能尽可能的减小残余应力，但无法消除它。

(2)节点形式：不同的管节点形式也会对疲劳强度产生影响。研究和试验证明，相同材料和相同焊接工艺的管节点中，T型管节点的疲劳强度最低，这是因为T型管节点的几何应力集中系数最大，在相同名义应力的情况下，其热点区域的应力集中要高于其他类型如Y型和K型等管节点，因此疲劳强度也会低于其他几种节点。

(3)结构参数：结构参数的影响可从应力集中系数方程中得到，即使是相同的Y型节点，但若节点参数不同，如主管径厚比，支、主管直径比等不同，则所得应力集中系数便不同，节点的疲劳强度自然不同。其中和对疲劳性能影响较大。

(4)焊接缺陷：焊接缺陷是对管节点疲劳强度影响较大的因素，但是可以通过对焊接工艺进行改善和对焊缝进行焊后修磨来进行调整的。焊接缺陷有很多，常见的主要有裂纹、未熔合、未熔透、气孔、夹渣、咬边和飞溅等，在疲劳荷载作用下焊接缺陷会引起较大的应力集中从而导致疲劳裂纹的产生，甚至很多疲劳裂纹就是从最初的焊接缺陷裂纹逐渐扩展形成的。4

焊接工艺的研究正确的焊接工艺和焊后处理可以减少应力集中程度，改变残余应力分布甚至产生有利的残余应力。因此，拟通过试验研究和理论计算分析，确定合理的焊接工艺和焊缝形式，提出可提高疲劳强度的焊后处理方式。主要包含如下几点：①管结构用材的韧性指标；② 焊接接头的强韧比；③焊缝金属和母材金属的强韧性匹配；④焊缝形式的确定；⑤残余应力测试；⑥提高疲劳强度的有效工艺措施，如TIG熔修、砂轮打磨和锤击法等。5