钢管混凝土拱桥稳定性现状研究

钢管混凝土拱桥稳定性现状研究

郑建

（绵阳市涪城区西南科技大学，四川绵阳621000）

摘要：随着世界范围内桥梁建设的发展，越来越多的工程师将钢管混凝土拱桥作为跨越大距离山河沟谷的重要媒介。而随着钢管混凝土拱桥跨径的增大，桥梁模型越柔。因此，对钢管混凝土拱桥稳定性研究的学者越来越多。

关键词：钢管混凝土；拱桥；稳定性

1990年，在四川省广元市旺苍县修建了我国第一座钢管混凝土拱桥——东河大桥，东河大桥的修建为我国拱桥的发展揭开了序幕。近20年以来，我国钢管混凝土施工技术、科研水平、数量及跨越能力达到世界领先水平。陈宝春[1]等共收集到截止2015年1月的已建和在建的钢管混凝土拱桥413座（跨径不小于50m）。

钢管混凝土拱桥在我国修建的数量不断增多、跨径不断增大。从行业分布来看，在公路、城市桥梁中的应用仍是主体，在铁路尤其是高速铁路中的应用不断增多。在结构体系方面，上承式、中承式、拱梁组合式、飞鸟式和下承式刚架系杆拱5大类，仍为主要应用的桥型。

1.国内研究现状

曾灵苑[2]认为随着这拱桥跨度的增大，侧向稳定性问题更为突出。考虑初始变位和大位移的影响后，采用非线性稳定分析方法得出的失稳荷载比按线性屈曲分析得出的失稳荷载小。对于单肋拱，近似计算公式的结果与非线性稳定和线性屈曲分析结果比较接近；但是考虑吊杆及桥面结构的影响后，近似计算公式的结果不安全。

刘铭炜[3]通过研究认为统一理论法比双单元法在建模及计算效率方面更具有优势，推荐使用统一理论法进行钢管混凝土拱桥稳定性影响因素分析。且拱肋刚度是影响钢管混凝土拱桥的稳定性的关键因素，当拱肋刚度提高到原来模型刚度的2.0倍时稳定系数可提高90.7%，而吊杆对拱桥的稳定性的贡献并不大。

李小争[4]等人利用Midas软件，采用轴线单元法和有限元分析法对淅川县丹江口库区生态与水质保护绿色通道东段上的工程进行研究。最后认为采用这两种计算结果均能保证该钢管混凝土拱桥的稳定性。

贾少春[5]通过Midas研究砂卵石地层盾构多次下穿连拱桥稳定性分析，最后认为该盾构隧道下穿拱桥时拱桥稳定性能满足要求。

综上所述，国内学者现阶段对拱桥研究聚焦度较高，相信我国在未来的基础设施建设中还会有越来越多的学者继续深入研究拱桥。

2.钢管混凝土拱桥特征

2.1自重轻、跨越能力强

钢管混凝土拱桥将钢结构结构形式应用与其上，能够在很大程度上降低材料的用量，同时充分利用混凝土的强度，钢管对混凝土形成了约束，在充分接触的基础上，可以提高强度。从而达到设计要求。此外，由于拱桥主要利用钢管混凝土进行承压，其跨越能力较强，得到广泛应用。

2.2施工方便

钢管混凝土结构构件可以实现预制工厂制作预制构件，先制作成型钢管，对钢管内部灌注混凝土，施工方便，可以节省支架费用。

3.钢管混凝土拱桥稳定性

3.1拱的面内失稳

在外荷载及自重的作用下，拱桥截面内一般会存在一定的剪力、弯矩和轴向压力，并且以轴向压力为主，轴向压力主要存在于合力拱轴线。尤其是在一些特殊情况下，如当设计拱轴线与荷载压力线完全重合的时候，拱截面内就只存在轴向压力。当拱截面处于理想情况时，即只存在轴向压力时，拱桥的面内稳定性主要与拱结构的线形，矢跨比等有关。

在实际工程中，往往拱界面内还存在有较大弯矩和剪力，拱的平面内稳定性问题也因此而变得复杂。但如果拱截面中还存在弯矩和剪力时，拱结构的面内稳定问题就变得比较复杂。拱桥理论的研究是随着计算理论的发展逐步深入的。早在十九世纪，有国外学者对荷载作用下圆弧拱的屈曲问题进行研究，此后不久，有学者基于前人的研究成果进行了更深入的研究，并最终得出求解屈曲极限荷载的方法。随着拱桥技术应用的普及，各国学者也开始对不同拱轴线形和不同荷载进行研究。有学者运用简化计算方法计算面内屈曲的极限荷载。这种方法能够快速地估算出结构的屈曲荷载，对后来的研究起着重要的作用。

3.2拱的侧倾失稳

拱桥由于一般都有密置的吊杆连接拱肋和系梁，吊杆对面内屈曲具有一定的抵抗作用，因而通常情况下都不会发生面内屈曲失稳。相比较而言，系杆拱桥的侧向失稳问题显得更为重要。在实际的系杆拱桥中，拱肋形式大都采用二次抛物线，而横撑通常既有平式也有立式，且桥面系对系杆拱桥侧向稳定性的影响也不容忽视。

通常来说，拱的面外屈曲临界荷载是一个非常重要的决定因素。这主要决定设计拱轴线的线形、荷载的性质以及荷载的分布、拱横截面的侧向抗弯刚度、拱支座处的约束等。

4结论与展望

随着国家重大工程川藏铁路的投资落地，大量的土木工程师将参与到川藏铁路修建当中，该线设计路线中，将穿越大量的山体，跨越大量的山河、沟谷。钢管混凝土无疑将成为穿越大跨度障碍的重要选择桥梁结构形式。相信在未来我国钢管混凝土拱桥的施工技术及研究水平将随着川藏线的修建而取得巨大进步。

参考文献

[1]陈宝春,韦建刚,周俊,刘君平.我国钢管混凝土拱桥应用现状与展望[J].土木工程学报,2017,50(06):50-61.

[2]曾灵苑.钢管混凝土拱桥稳定性问题的几点研究[J].民营科技,2011(06):288.

[3]刘铭炜,禹智涛,贺绍华.基于统一理论的钢管混凝土拱桥稳定性分析[J].广东工业大学学报,2018,35(06):63-68.

[4]李小争,马毅,贾新聪,侯凯升.钢管混凝土拱桥支架稳定性分析[J].建材与装饰,2018(48):230-231.

[5]贾少春.砂卵石地层盾构多次下穿连拱桥稳定性分析[J].铁道工程学报,2017,34(12):89-93.

作者简介：郑建（1998.04-），男，山东泰安人，本科，西南科技大学，土木工程。