500米级钢管混凝土拱桥建造创新技术中的成果

钢管混凝土桥梁是一种典型的自架设体系桥梁，这正是钢管混凝土桥梁的优越性之一。在形成钢管混凝土桥梁之前，空钢管已被安装架设成结构，成为随后施工构架，承受自重和管内混凝土重量，不可避免地产生初始应力。通常在形成钢管混凝土结构前，空钢管中存在的应力称之为钢管初始应力δ，并用β表示初应力占钢材屈服应力f 的比例，即β＝δ／f，称为初应力系数。由于钢管存在初应力，使钢管混凝土工作性能发生了变化。试验研究表明，初应力对钢管混凝土构件的极限承载能力和变形的影响不可忽视，特别是大跨和高墩的钢管混凝土结构，非线性对承载能力的影响显著，在计算考虑初应力后的拱、柱承载能力时，其稳定系数应进行材料和几何双重非线性分析［10］。

单肢钢管混凝土拱桥在相同跨径、不同含钢率α下，拱桥承载能力影响系数Kp随钢管初应力系数β的变化规律为Kp随β的增大而减小。但在相同跨径下，含钢率α变化引起的承载能力影响系数Kp差异不大。对不同的含钢率，当其增大时，拱桥承载能力相应增大，这是由于随着含钢率的增加，钢管套箍混凝土的能力越强，同时钢管更多地承担了外力的缘故。但不论何种初应力系数，承载能力降低的趋势是一致的。单肢钢管混凝土拱桥承载能力影响系数Kp在相同含钢率、不同初应力系数下的变化规律。可以看出，随着含钢率α的增大，拱桥承载能力影响系数Kp随初应力系数增加而减小。工程上常以钢管初应力引起的承载能力下降不超过10%为界限，其初应力系数β应控制在0.3。而调查表明，单肢钢管混凝土拱桥的初应力系数较小，大致在0.15～0.35。大矢跨比的拱桥承载能力要比小矢跨比的拱桥承载能力大，除矢跨比本身对拱桥承载能力有影响外，矢跨比对承载能力的影响系数Kp很小，可忽略不计［11］。

初应力对哑铃形钢管混凝土拱桥承载能力也有负面影响，且降低值几乎与初应力系数呈正比，但降低幅度没有单肢钢管混凝土拱桥大。此外，跨径越大，承载能力影响系数Kp越小，即承载能力降低越小，这也是材料、几何非线性共同作用的结果。在初应力系数相同的条件下，不同跨径拱桥的承载能力随含钢率α增大几乎呈线性增加，这与单肢钢管混凝土拱桥的规律是一致的。钢管内混凝土不同灌注顺序对哑铃形拱桥承载能力也有影响，但不同灌注顺序对拱桥承载能力影响系数Kp的影响很小，可以忽略不计，且在β＝0.6时，Kp≥0.9。

初应力同样使四肢格构型钢管混凝土拱桥承载能力降低，其降低趋势与哑铃形拱桥相似，即与初应力系数近似成直线降低，降低幅度也没有单肢钢管混凝土拱桥大。大跨径拱桥承载能力影响中，几何非线性占有很大比例，初应力系数对承载能力影响不是十分显著，同时受到钢管初应力施加方式的影响，实际钢管截面应力是偏大的，因此仍可把初应力系数控制在0.6。在初应力系数相同的条件下，不同跨径拱桥的承载能力随含钢率α增大几乎呈线性增加，这与单肢和哑铃形钢管混凝土拱桥的规律是一致的。

另外，通过对单肢、哑铃形和四肢格构型钢管混凝土拱桥考虑钢管初应力的极限承载能力分析，应用回归分析法得到了三种截面形式下的承载能力影响系数计算公式。

单肢钢管混凝土拱桥用回归分析法求出的承载能力影响系数Kp＝1.0-0.168 0β-0.287 5β2。回归分析后的结果与理论计算值吻合良好，除个别点误差在5%以外，其余均小于5%。考虑钢管初应力对极限承载能力分析计算，单肢钢管混凝土拱桥初应力系数β应控制在0.3。

哑铃形钢管混凝土拱桥与单肢钢管混凝土拱桥相似，用回归分析法求出的承载能力影响系数Kp＝1.0-0.142 9β。考虑钢管初应力对极限承载能力分析计算，哑铃形钢管混凝土拱桥初应力系数β控制在0.6。

四肢格构型钢管混凝土拱桥与单肢和哑铃形钢管混凝土拱桥类似，用回归分析法求出的承载能力影响系数Kp＝0.948-0.114 8β。四肢格构型钢管混凝土拱桥初应力系数β控制在0.6。

通过对单肢、哑铃形和四肢格构型钢管混凝土拱桥在不同初应力系数、不同含钢率、不同跨径下的承载能力的研究结果表明：

（1）初应力对单肢钢管混凝土拱桥承载能力影响最大，哑铃形截面次之，四肢格构型截面影响最小。

（2）以拱桥承载能力降低控制在10%为界限，单肢拱初应力系数应控制在0.3，哑铃形和四肢格构型拱初应力系数控制在0.6。这也表明目前我国钢管混凝土拱桥设计中把初应力系数控制在0.6是合适的，不会对拱桥承载能力产生很大影响。

（3）在开展初应力对钢管混凝土拱桥承载能力计算时，必须考虑几何非线性的影响，即应同时按材料非线性和几何非线性分析，否则结果偏大。

关于初应力的影响，《公路钢管混凝土拱桥设计规范》规定如下：(www.xing528.com)

钢管混凝土钢管初始应力大于0.35f 且小于0.6f 时，应按以下计算公式计入初始应力对钢管混凝土极限承载能力的影响：

Kp＝1.0-0.15ω

式中 ω——钢管初应力度，，ω 不宜超过0.65；

σ0——钢管初应力，取拱圈钢管截面初应力的最大值；

fsk——钢材的强度标准值。

试验研究表明，初应力对钢管混凝土刚度的影响大于对钢管混凝土承载能力的影响，拱圈预拱度计算时采用修正系数。

钢管混凝土拱圈应设置预拱度，计算预拱度值为恒载累计变形、钢管混凝土徐变挠度和1／2恒活载挠度之和；预拱度线形考虑非线性影响后，按下列公式计算：

δs＝Kyδj

式中 δs——拱圈设计预拱度值；

δj——拱圈计算预拱度值；

Ky——预拱度非线性修正系数，主跨在50～100 m，取1.05，主跨在100～150 m，取1.11，主跨在150～220 m，取1.16，主跨在220～340 m，取1.20，主跨大于340 m，取1.25。对于小跨度拱桥，未做预拱度计算时，拱圈预拱度宜设置在范围内。