中承式钢管混凝土拱桥

中承式钢管混凝土拱桥中承式钢管混凝土拱桥中承式钢管混凝土拱桥主要内容1.钢管混凝土拱桥的发展现状2.钢管混凝土徐变的研究3.徐变对钢管混凝土拱桥静力性能的影响分析4.徐变对钢管混凝土拱桥动力性能的影响分析书籍能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进中承式钢管混凝土拱桥中承式钢管混凝土拱桥中承式钢管混凝土拱桥1主要内容1.钢管混凝土拱桥的发展现状2.钢管混凝土徐变的研究3.徐变对钢管混凝土拱桥静力性能的影响分析4.徐变对钢管混凝土拱桥动力性能的影响分析主要内容1.钢管混凝土拱桥的发展现状钢管混凝土拱桥的发展现状钢管混凝土材料的优点：1）充分发挥钢材和混凝土材料的优点，弥补相互的不足2）力学性能好：受压、抗震3）便于施工4）经济

深圳彩虹桥赛格大厦广州新电视塔钢管混凝土拱桥的发展现状深圳彩虹桥赛格大厦广钢管混凝土拱桥优点：1）提高材料强度，拱圈自重减轻，施工方便；2）跨越能力大；3）造价经济；4）外形美观。钢管混凝土拱桥优点：钢管混凝土拱桥的主要类型按照钢管在结构使用阶段和施工阶段中所起的主要作用，钢管混凝土拱桥可以分为普通钢管混凝上拱桥和钢管混凝土劲性骨架拱桥。根据拱状结构与桥面的相对位置，钢管混凝土拱桥可以做成上承式、中承式、下承式拱桥。钢管混凝土拱桥的主要类型按照钢管在结构使用阶段和施工阶段中所

1990年我国建成第一座钢管混凝土拱桥---四川旺苍东河大桥，此后的近二十年间钢管混凝土拱桥迅速发展，据不完全统计，我国已建成钢管混凝土拱桥已达200多座。钢管混凝土拱桥简表桥名建成年份跨径(m)四川旺苍东河大桥广东高明大桥浙江新安江望江大桥湖南郴州鲤鱼江大桥河南安阳文峰路立交桥四川峨边大渡河桥广东南海三山西大桥广西柳州文惠大桥湖北三峡下牢溪大桥湖北三峡莲沱大桥湖北秭归青干河大桥湖北三峡黄柏河大桥江苏苏州尹山桥广东广州解放大桥江西景德镇瓷都大桥陕西蜀河汉江大桥黑龙江依兰牡丹江大桥福建闽清石潭溪大桥1990199119931994199519951995199519961996199619961996199719971997199719971151001208013514020010816011425616080.5801501201001361990年我国建成第一座钢管混凝土拱桥---

续上表桥名建成年份跨径(m)四川高谷乌江大桥天津彩虹桥福建福安群益大桥广西三岸邕江大桥贵州落脚河大桥广西六景郁江大桥浙江铜瓦门大桥重庆奉节梅溪河桥广东广州丫髻沙大桥湖北武汉汉江三桥浙江三门健跳大桥水柏铁路北盘江大桥湖北恩施南泥渡大桥重庆合川嘉陵江大桥浙江淳安县南浦大桥辽宁丹东月亮岛大桥广西南宁永和大桥广东东莞水道大桥巫山长江大桥湖北支井河大桥宜昌长江铁路大桥1997199819981998199819991999200020002000200120012002200220032003200420052005在建在建15016046270240220238288360302245236220200308202335.4280492430264续上表桥名建成年份跨径(m)四川高1990年四川旺苍东河大桥，我国第一座钢管混凝土拱桥，跨度为115m，下承式刚架系杆拱，由2φ800×10钢管混凝土组成拱肋。1990年四川旺苍东河大桥，我国第一座钢管混凝土

2000年广州丫髻沙大桥，中承式钢管混凝土拱桥，跨度为360m，它由6根钢管混凝土管组成格构式拱肋。2000年广州丫髻沙大桥，中承式钢管混凝土拱2005年，巫山长江大桥，主跨492m，中承式钢管混凝土拱桥2005年，巫山长江大桥，主跨492m，中承式钢管混凝土拱桥1997年建成的重庆万州长江大桥，跨度为420m，最大跨度混凝土箱形截面拱桥，以钢管混凝土肢管为劲性骨架1997年建成的重庆万州长江大桥，跨度为420m，最大跨度混对于钢管混凝土拱桥，混凝土徐变会对结构产生影响：1）引起拱轴线的变形，降低拱的稳定和使用性能；2）在截面上产生应力重分布、在超静定结构中产生内力重分布，或使混凝土产生局部应力；3）在温度作用下产生附加内力的影响。如果不计入混凝土徐变的影响，则会对结构变形和内力的计算结果带来不可忽视的误差，造成主梁线形的偏差和结构的不安全。需要开展钢管混凝土拱桥徐变研究对于钢管混凝土拱桥，混凝土徐变会对结构产生影响：2.钢管混凝土徐变的研究

钢管混凝土徐变的特点：1）由于核心混凝土的湿度变化受到钢管的限制，其干燥徐变和收缩徐变比普通混凝土的小；2）钢管混凝土构件在工作过程中，核心混凝土受到钢管的约束，使其经常处于三向受力状态，使得钢管混凝土的徐变更加复杂；3）钢管与核心混凝土之间存在的应力重分布现象，导致核心混凝土徐变减小。2.钢管混凝土徐变的研究钢管混凝土徐变的特点

钢管混凝土徐变的实验研究1）1967年Furlong第一次观察到了钢管混凝土徐变与收缩变形；2）1991年Nakai等对三个试件在不同含钢率情况下的轴压变形试验，提出了预测圆钢管混凝土徐变的粘弹性模型；3）1994年Terry等进行了包括圆钢管混凝土试件、素混凝土试件和沥青包裹混凝土试件长期荷载作用下的变形试验，结果表明钢管混凝土的徐变变形小于素混凝土的徐变变形；4）1996年Morino等进行了包括6个轴压、1个纯弯和2个压弯构件的试验，得出了只以持荷时间为变量的徐变变形计算方程；5）2001年Uy进行了6个钢管混凝土试件在长期荷载作用下的变形试验，并将变形试验曲线与ACI模型进行了比较；钢管混凝土徐变的实验研究1）1967年Furlong第一次6）1993年王湛共进行了3组6个钢管混凝土试件的徐变试验，得出了钢管混凝土的徐变曲线；7）韩林海在2001年进行了矩形截面钢管混凝土轴心受压构件变形和承载力的试验研究，提出了考虑长期荷载作用影响时矩形钢管混凝土轴心受压柱承载力的简化计算公式。

目前国内外进行的钢管混凝土徐变试验中，共有58个轴压试件和22个偏压试件。在这些试验中，徐变的影响因素考虑得并不全面，试验手段也有待于提高。6）1993年王湛共进行了3组6个钢管混凝土试件的徐变试验，基于已有试验研究，得到主要结果如下：钢管混凝土的徐变早期发展很快，60天后曲线减缓，一年

后几乎停止。2)一般认为徐变将会降低钢管混凝土的承载力。

3)钢管混凝土的含钢率、应力级别、加载龄期等都会对徐变

产生影响。

基于已有试验研究，得到主要结果如下：

2.2钢管混凝土徐变的理论研究徐变计算理论主要有有效模量法、老化理论、弹性徐变理论、继效流动理论以及B3模型法。2.2钢管混凝土徐变的理论研究混凝土徐变的继效流动理论在此模型中，混凝土徐变的表示为混凝土的弹性变形、混凝土的不可复变形、混凝土的滞后弹性变形。混凝土徐变的继效流动理论在此模型中，混凝土徐变的表示为混凝土继效流动理论构造的混凝土在t时刻的徐变计算公式为

通过试验数据和理论值的对比，表明该理论适用于不断卸载的混凝土徐变，而钢管混凝土构件中核心混凝土在徐变过程中正是在不断卸载的，应用继效流动理论发挥了它的优点。继效流动理论构造的混凝土在t时刻的徐变计算公式为通过试验数B3模型

B3模型是基于固结理论得出的，它将徐变度分成了基本徐变和附加徐变两部分：B3模型B3模型是基于固结理论得出的，它将徐变度分成了基本上式中、、三项分别代表了老化粘弹性柔量、非老化粘弹性柔量和流变柔量。上式中、、三项分别代表了老化粘弹性柔量、B3模型特点：1）它比ACI、CEB-FIP模型有更多分析参数的计算式；2）它能合理的解释混凝土徐变的微观机理；3）考虑了更多的因素：相对湿度、干燥时暴露在外的湿度、混凝土尺寸、混凝土构件的形状、混凝土28天的强度、水灰比、骨料水泥比、混凝土干燥龄期及混凝土的加载龄期等；4）B3模型能根据短期徐变实验数据来预测长期徐变。B3模型特点：北京交通大学对钢管混凝土的徐变理论进行了大量研究工作。采用混凝土徐变的继效流动理论、固结理论、三维应力状态下混凝土的徐变理论，结合钢管混凝土轴心受压、偏心受压和受弯构件的受力特点，对钢管混凝土构件的徐变从理论上进行了研究，推导出一维形式的钢管混凝土轴心受压、偏心受压和受弯构件徐变的计算公式(王元丰，2006)。并且，将基于混凝土徐变继效流动理论的钢管混凝土轴心受压构件、压弯构件徐变计算方法和有限元方法相结合，建立了合理、简便的分析钢管混凝土拱桥（杜金生等，2004）、钢管混凝土格构柱（韩冰等，2005）、钢管混凝土框架结构（刘可为等,2005）的徐变影响方法。北京交通大学对钢管混凝土的徐变理论进行了大量研究工作。采用混钢管混凝土构件的徐变研究成果1.钢管混凝土轴心受压构件徐变的计算与设计方法2.钢管混凝土小偏心受压构件徐变的计算与设计方法3.钢管混凝土大偏心受压构件徐变的计算与设计方法4.钢管混凝土受弯构件徐变的计算与设计方法钢管混凝土构件的徐变研究成果1.钢管混凝土轴心受压构件徐变多轴应力状态下混凝土徐变理论在多轴应力状态下，混凝土在三个方向上的徐变度为

多轴应力状态下混凝土徐变理论在多轴应力状态下，混凝土在三个方钢管混凝土轴心受压构件徐变的计算方法中承式钢管混凝土拱桥钢管混凝土轴心受压构件徐变钢管混凝土轴心受压构件徐变钢管混凝土小偏心受压构件徐变的计算方法钢管混凝土小偏心受压构件钢管混凝土大偏心受压构件徐变的计算方法钢管混凝土大偏心受压构件钢管混凝土受弯构件徐变的计算方法钢管混凝土受弯构件徐变的B3模型与其它模型比较曲线B3模型与其它模型比较曲线1)基于ACI的徐变模型比其他模型的计算值偏大，早期发展很快，后期发展平缓；2)基于继效流动理论的徐变模型的计算值与试验值相比则偏小；3)整体上，基于B3模型的钢管混凝土徐变模型与试验值符合较好。1)基于ACI的徐变模型比其他模型的计算值偏大，早期发展很钢管混凝土轴心受压构件徐变设计公式数值计算曲线回归曲线钢管混凝土轴心受压构件徐变设计公式数值计算曲线回归曲线数值计算曲线回归曲线钢管混凝土小偏心受压构件徐变设计公式数值计算曲线回归曲线钢管混凝土小偏心受压构件徐变设计公式钢管混凝土大偏心受压构件徐变设计公式数值计算曲线回归曲线钢管混凝土大偏心受压构件徐变设计公式数值计算曲线回归曲线钢管混凝土受弯构件徐变设计公式数值计算曲线回归曲线钢管混凝土受弯构件徐变设计公式数值计算曲线回归曲线主要成果主要成果3.徐变对钢管混凝土拱桥的静力性能的影响分析

目前钢管混凝土拱桥的徐变分析很多是参考钢筋混凝土拱桥的徐变分析方法，但是，在考虑钢管对核心混凝土的紧箍力时，钢管混凝土构件的受力方式和钢筋混凝土的受力方式是不同的。因此，完全按照钢筋混凝土桥的方法进行分析计算是不合适的，对钢管混凝土拱桥的徐变问题应进行进一步的研究。3.徐变对钢管混凝土拱桥的静力性能的影响分析

在徐变对钢管混凝土拱桥的影响方面，尚未见到国外关于此方面研究的文献。在我国，主要有以下研究：1）上海交通大学顾建中等（2001a，2001b）采用普通混凝土徐变的计算模型对钢管混凝土徐变进行分析，而钢管混凝土中的钢管和混凝土均处于多轴应力状态，因此其计算模型不太合理，而且计算公式比较繁杂，计算量大；在徐变对钢管混凝土拱桥的影响方面，尚未见到国外关2）广西大学谢肖礼等（2001a，2001b）根据混凝土徐变的老化理论，推导出徐变对钢管混凝土截面引起的应力重分布的表达式，但老化理论在混凝土应力递减时高估了徐变变形，不适合应用于计算钢管混凝土徐变；3）北京交通大学王元丰等（2004，2007）根据混凝土徐变继效流动理论，结合钢管混凝土构件徐变的计算方法和有限元方法，建立钢管混凝土拱桥徐变影响的方法，但继效流动理论并不能研究混凝土参数对徐变的影响，且其是由水工试验结果回归出的公式，并不适用于桥梁结构。

总的来说，这方面的研究还不够充分，需要进一步深入研究。2）广西大学谢肖礼等（2001a，2001b）根据混凝土徐变轴心受压钢管混凝土拱桥徐变分析通过构建每个钢管混凝土单元发生徐变后的换算组合弹性模量公式，从而将采用继效流动理论的钢管混凝土轴心受压构件徐变的分析方法和有限元方法相结合，对钢管混凝土拱桥徐变影响问题进行分析计算。轴心受压钢管混凝土拱桥徐变分析中承式钢管混凝土拱桥

通过推导得出的每个钢管混凝土单元发生徐变后的换算刚度矩阵，从而将钢管混凝土压弯构件徐变的的计算方法和有限元方法相结合，对考虑弯矩影响的钢管混凝土拱桥徐变问题进行了分析计算。钢管混凝土压弯构件的徐变为：考虑弯矩影响的钢管混凝土拱桥徐变分析通过推导得出的每个钢管混凝土单元发生徐变后的换算考虑截面弹性模量变化的平面梁单元换算刚度矩阵：考虑截面弹性模量变化的平面梁单元换算刚度矩阵：丫髻沙大桥全长1084米。主桥采用76m+360m+76m三跨连续自锚式钢管混凝土拱桥桥型，主桥采用中承式双肋悬链线无铰拱，计算跨度344m，矢高76.45ｍ，矢跨比1/4.5。应用上述方法，建立有限元模型，对丫髻沙大桥进行分析。丫髻沙大桥全长1084米。主桥采用76丫髻沙大桥在竣工时和通车运营1年后(此时拱肋混凝土的加载龄期约为18个月)对主拱拱肋拱顶截面的应力和徐变总挠度进行了测量，其与计算结果的对比见下：材料实测值计算值竣工时拱顶截面上缘应力(MPa)钢206.4222.8混凝土13.812.5运营1年后拱顶截面上缘应力(MPa)钢218.3224.4混凝土11.312.4徐变总挠度(mm)120115丫髻沙大桥在竣工时和通车运营1年后(此时拱肋混凝土的加载龄期跨中拱肋挠度随时间变化曲线跨中拱肋挠度随时间变化曲线跨中拱肋处混凝土应力随时间变化曲线跨中拱肋处钢管应力随时间变化曲线跨中拱肋处混凝土应力随时间变化曲线跨中拱肋处钢管应力随时间拱脚拱肋处钢管应力随时间变化曲线拱脚拱肋处混凝土应力随时间变化曲线拱脚拱肋处钢管应力随时间变化曲线拱脚拱肋处混凝土应力随时间变算例跨径(m)矢跨比拱轴线型结构型式拱肋截面混凝土标号型式高度(m)管径×壁厚(mm×mm)算例1851/4二次抛物线中承式三肢桁式2.5650×12C50算例21601/5m＝1.543悬链线上承式哑铃形2.51000×10C50算例31151/6m＝1.347悬链线下承式哑铃形2800×10C30算例41001/9.6二次抛物线中承式单圆管0.65650×10C30算例51201/4二次抛物线中承式哑铃形2900×10C40算例6761/4二次抛物线中承式哑铃形1.9800×10C40算例7461/3二次抛物线中承式单圆管0.8800×14C50算例81601/5m＝1.5悬链线下承式哑铃形3.751500×16C50算例93601/4.5m＝2悬链线中承式六肢桁式6.75750×18C50

进一步对9个钢管混凝土拱桥算例进行计算分析，模型数据如下：算例跨径(m)矢跨比拱轴线型结构型式拱肋截面混凝土标号型式高不考虑徐变(mm)考虑徐变(mm)两者差值(mm)百分比算例125.1438.7813.6454.3%算例259.6490.6030.9651.9%算例352.7969.6816.7531.3%算例454.0872.6018.5134.2%算例526.1537.7111.5644.2%算例620.9630.219.2544.1%算例75.719.023.3157.9%算例845.6369.3723.7452.0%算例9410.74534.89124.1530.2%徐变前和发生徐变后（360天）跨中拱肋挠度比较

不考虑徐变(MPa)考虑徐变(MPa)两者差值(MPa)百分比算例111.329.93-1.39-12.3%算例26.595.80-0.79-12.0%算例35.955.04-1.12-18.2%算例45.644.64-0.99-17.7%算例55.984.94-1.03-17.2%算例66.365.41-0.93-14.8%算例73.883.07-0.80-20.8%算例85.254.61-0.62-12.1%算例922.4914.06-8.43-37.5%徐变前和发生徐变后（360天）混凝土应力比较不考虑徐变考虑徐变两者差值百分比算例125.1438.781不考虑徐变(MPa)考虑徐变(MPa)两者差值(MPa)百分比算例156.7486.4629.7152.4%算例236.2455.4019.1652.9%算例349.5766.3414.8829.0%算例444.9860.3515.3634.2%算例537.7354.0816.3543.3%算例641.4059.3217.9143.3%算例719.6729.9810.3152.4%算例828.8344.0715.1352.9%算例9158.59207.7449.1531.0%不考虑徐变(MPa)考虑徐变(MPa)两者差值(MPa)百分比算例110.347.67-2.66-25.8%算例28.397.39-1.00-12.0%算例37.055.98-1.07-15.2%算例46.064.98-1.07-17.7%算例58.086.69-1.39-17.3%算例68.727.41-1.30-14.9%算例76.134.83-1.30-21.2%算例86.675.86-0.79-12.0%算例925.0215.02-10.00-40.1%徐变前和发生徐变后（360天）拱脚混凝土应力比较徐变前和发生徐变后（360天）跨中钢管应力比较

不考虑徐变考虑徐变两者差值百分比算例156.7486.462

1)钢管混凝土拱桥拱肋发生徐变一年后的挠度增加量比较大，最高

时可以达到初始挠度的60％左右。

2)钢管混凝土拱肋由于徐变（360天）产生的截面应力重分布非常

大，核心混凝土的应力减小和钢管的应力增大幅度都很大。核心

混凝土的应力卸载值最高的可以达到初始应力的40％左右，钢管

的应力增加量最高的可以超过初始应力的50％。

3)徐变对钢管混凝土拱桥的影响在早期比较显著，挠度和混凝土、

钢管应力变化明显，一年之后变化很小，其曲线的发展趋势和钢

管混凝土构件徐变的发展趋势大致相同。4)考虑弯矩对徐变的影响后，拱顶挠度和钢管、混凝土的应力都有

一定的变化。挠度增加幅度不大，随着持荷时间逐渐加大。考虑

弯矩作用下拱桥跨中挠度比不考虑弯矩时增加3％，混凝土的应力

增加14.6％，钢管的应力增加9.3％。结论1)钢管混凝土拱桥拱肋发生徐变一年后的挠度增加量比较大，

5)拱脚处和跨中处的应力曲线发展趋势大致相同，但是由于拱脚处

弯矩较大，混凝土的应力减小16.7％，钢管的应力增加14.4％。6)考虑弯矩作用后，核心混凝土的应力和钢管应力显然要比不考虑

弯矩作用的大，从图中可以看出，对于混凝土来说，两者之间的

差值是随着持荷时间的增长而逐渐减小的，而对于钢管来说，两

者之间的差值随着持荷时间的增长而逐渐增大的。5)拱脚处和跨中处的应力曲线发展趋势大致相同，但是由于拱4.徐变对钢管混凝土拱桥的动力性能的影响分析随着跨径的提高和规模的增大，钢管混凝土拱桥的动力性能和抗震性能研究日益显得迫切，而结构动力性能对于结构抗震性能分析十分重要，目前国内外对于结构徐变后的动力性能的研究还远未深入：

1）Koh.C.G等（1997）采用BP模型的计算机程序来预测钢筋混凝土梁在静力荷载作用下添加反复荷载时梁的变形，运用数值迭代计算每单元层的应力和应变。2）Sapountzakis和Katsikadelis(2003)采用了Sapountzakis（2000）建立的模型，考虑了板的平面内力和变形，以及梁的轴向力和变形两者对结构的共同作用，分析钢筋混凝土梁板结构在徐变效应作用下结构动力响应。结果表明徐变发生1000天后结构自由振动位移是徐变前自由振动位移的2.05倍，是徐变前静力位移的4.51倍。4.徐变对钢管混凝土拱桥的动力性能的影响分析