钢管混凝土系杆拱桥设计分析
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摘要：随着社会经济与交通建设事业的蓬勃发展，我国对于桥梁建设也越来越重视。本文主要对钢管混凝土系杆拱桥的设计方法、刚度取值、稳定方面以及设计的一些主要参数做了一些分析。
关键词：钢管混凝土拱桥；拱肋形式；计算方法；设计
引言
拱式组合体系桥是将主要承受压力的拱肋和主要承受弯矩的行车道梁组合起来共同承受荷载，充分发挥被组合的简单体系的特点及组合作用，以达到节省材料和降低对地基的要求的设计构想。钢管混凝土系杆拱桥与连续梁桥等其他桥梁相比， 其主梁梁高较低， 而且在横桥向， 纵向系梁设置于拱肋位置， 不占用车道位置， 系梁顶面可高于桥面， 因此控制桥面标高实质上是横梁高度。采用系杆拱桥方案带来引桥桥孔缩短所节约的工程造价是相当可观的。近年来，在桥梁建筑方面对景观要求日益重视的情况下， 系杆拱桥的优势显得越发明显。此外， 由于钢管混凝土拱桥一方面钢管的约束提高了混凝土的承压能力，另一方面也使拱桥的施工更加便捷。
一、钢管混凝土拱桥拱肋形式
拱肋形式的选取一般根据桥梁跨径而定。对于刚性系杆刚性拱的拱肋高度一般为主跨的1/40～1/50， 刚性系杆柔性拱体系还可适当降低。拱肋宽度以及拱肋数量则应根据桥梁宽度确定。对于主跨小于 100 m的系杆拱桥， 一般都采用单支钢管混凝土拱肋。对于跨径较大的钢管混凝土拱桥， 拱肋则一般采用桁架形式。其中哑铃形双支拱肋一般在跨径为 100～200m的情况下采用。当主跨大于 200 m， 其主拱肋一般采用多支形式。
二、钢管混凝土拱桥的计算方法
1钢管混凝土拱肋的计算模式
1.1钢管混凝土计算模式
钢管混凝土计算模式引入钢管套箍理论，计入作用引起的强度的提高。该计算模式是钢管混凝土理论研究成果在实际工程中的具体应用， 充分利用了钢管混凝土的受力特点。按该模式设计可以优化截面尺寸， 减少材料用量。
1.2钢筋混凝土计算模式
钢筋混凝土计算模式是把钢管混凝土折算成相应的钢筋混凝土， 再按钢筋混凝土结构进行计算。该计算模式依然应用钢筋混凝土结构的设计思想， 简化了设计验算过程。
1.3素混凝土计算模式
素混凝土计算模式的基本出发点是不考虑套箍作用， 不计入钢管对截面刚度的贡献， 认为钢管只是在施工过程中起模板作用， 拱肋按素混凝土计算截面特性， 并按该截面特性作相关验算。
1.4钢管计算模式
可以采用钢结构的设计方法， 其中核心混凝土仅作为加强刚度考虑， 以提高拱桥的整体稳定安全性。
2设计计算中的拱肋刚度取值
钢管混凝土拱肋作为组合材料， 其刚度的取值对成桥后的变形和稳定性计算有一定的影响， 而且由于钢管混凝土拱桥一般为超静定结构， 所以对内力计算也有一定的影响。国内外现有的钢管混凝土的设计规程或规范对组合构件的刚度计算各不相同。
（1）按《 CECS28：90》和英国规范《BS5400》用钢管和混凝土的刚度直接相加：
EA= ECAC+ ESAS
EI= ECIC+ ESIS
式中：EA为钢管混凝土压缩和拉伸刚度； EI为钢管混凝土弯曲刚度； EC、ES为混凝土和钢管的弹性模量； AC、AS为混凝土和钢管的面积； IC、IS为混凝土和钢管的惯性矩。
（2）按《JCJ01—1989》对钢管混凝土受压构件的弹性模量采用系数折减：
ESC= 0.85[（1-ρ）EC+ρES]
式中： ESC为钢管混凝土弹性模量； ρ为含钢率。
从这两种方法得到的结果表明， 第一种方法算出的刚度大， 第二种方法算出的小。根据结构原理，刚度大则超静定结构产生的附加内力也大， 因此内力计算时适合采用第一种方法算出的结果。
三、拱桥的稳定分析
1 拱桥几何和材料非线性稳定分析
一般利用通用的有限元计算拱桥几何和材料非线性稳定性， 求解线弹性最小特征值问题。这种方法能够对大跨度钢管混凝土拱桥这样的大型空间结构进行计算， 同时由于拱的侧倾稳定问题属于空间问题， 因此利用大型有限元分析软件求解更具有优势。但这种方法一般不考虑几何非线性和材料非线性的影响， 因此也存在一定的局限性。在实际使用时，可以对材料的特性采取一些适当的简化， 比如选择双线性模型来进行分析， 使得分析的收敛性得到改善。
2 拱桥稳定性的影响因素
2.1拱肋自身的刚度
拱肋自身刚度对稳定安全系数的影响显而易见， 不必赘述。
2.2吊杆非保向力的作用
吊杆非保向力效应与桥面横向刚度有关， 采用桥面板与吊杆横梁固结方式， 保证桥面系的整体性， 增加桥面系的横向刚度， 使得吊杆的非保向力作用得到发挥。
2.3拱肋矢跨比的影响
拱肋矢跨比从 1/20 增大到约 1/3， 横向稳定荷载也随之增大。但当矢跨比继续增大到 1/2 时， 临界荷载反而逐渐降低。分析表明，矢跨比取 1/6～1/3 即可获得较好的横向稳定性。
2.4拱肋间横向风撑的形式与刚度
采用 X 型或者 K 型风撑可以提供较大的剪切刚度， 效果比较理想。对于中小跨径系杆拱桥来说， 采用一字型横向风撑即可满足刚度要求。当桥梁跨径较小时， 往往不设置横向风撑。 风撑刚度的提高主要是具有增加对于拱肋自身转动的约束效果而增加拱桥的整体稳定性。但是随着拱肋间距的增大， 尤其当桥梁宽跨比较大时， 增加风撑刚度对整体稳定性的提高作用会逐渐削弱而变得不太经济， 此时以适当增加风撑数量比较合理。
2.5端横梁刚度的影响 强大的端横梁可以对拱脚形成有效的固接作用。一般中小跨径系杆拱桥， 拱肋之间设置的横向连接比较弱， 有的甚至不设风撑， 这种情况下， 端横梁的刚度显得犹为重要。
2.6桥面刚度的影响
非保向力的效果要视桥面的横向刚度而定。当桥面系仅靠桥面板作为纵向连接和横向刚度的来源时， 桥面系的刚度较弱， 拱肋横移时， 桥面系也会随之横移， 非保向力就比较小。桥面系横向刚度较小时， 桥面系刚度对临界荷载增大系数的贡献较为明显； 当桥面系刚度较大时， 逐渐趋于稳定。
四、设计的问题分析
1 桥梁横断面布置
根据桥面宽度和道路横断面布置的不同情况， 系杆拱桥的横断面布置也比较灵活。一般在道路横向15m 左右设置一道拱肋。如果桥梁宽度不是很宽，一般在道路两侧各设置一道拱肋， 形成双拱肋系杆拱桥。对于道路宽度较宽的高等级高速公路， 由于一般道路都设置中央分隔带， 因此设置三道拱肋的情况比较多。
2 系梁、横梁尺寸的拟定
在刚性系杆刚性拱结构中， 纵向系梁一般都作为纵向系杆预应力的布置区域， 因此，其尺寸应以可布置预应力为标准。中小跨径的钢管混凝土系杆拱桥的系梁高与宽一般都在1.5～2.0 m。中横梁的梁高选取应结合拱肋横向间距、吊杆纵向间距， 一般在横向跨度的 1/12～1/18， 一般均配置预应力钢束。端横梁的设计主要是应该考虑对拱肋的约束作用以提高拱桥整体稳定性， 因此，一般都将端横梁的梁高适当放大， 或设计成箱形截面。
3 水平系杆
水平系杆主要涉及对于系杆安全系数的选取。由于系杆是钢管混凝土系杆拱桥的关键构件， 因此， 应该适当加大安全系数。考虑到系梁也将承受一定的弯矩以及应在系梁内保持一定的永久预压应力，一般系杆所需的总预应力钢束应为恒载常规计算后所需钢束的两倍左右。
结语
钢管混凝土结构设计在我国桥梁建设工程中得到了广泛应用，作为一种组合结构，钢管混凝土设计刚度的取值会对计算结果产生影响，同时钢管混凝土拱桥大多为超静定结构，刚度的变化对内力的计算结果也会产生影响，因此，钢管混凝土拱桥设计刚度是确定桥梁设计过程中一个重要问题。
参考文献：
[1]韦建刚，陈宝春，彭桂翰.钢管混凝土单圆管拱刚度取值对静力计算的影响[J].公路交通科技，2004.
[2]蔡绍怀.现代钢管混凝土结构[M].北京：人民交通出版社，2003.
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