鋼管混凝土作為優異的鋼—混組合結構，近年來已廣泛應用於拱橋、斜拉橋、懸索橋、梁式橋等各種橋型。隨著鋼管混凝土橋樑的不斷髮展，國內外學者開展了大量理論研究和工程實踐，取得了一系列創新技術成果。
發展與難題
鋼管混凝土橋樑的發展
1990年，四川省建成了主跨115m的旺蒼東河大橋（圖1），該橋為下承式系杆鋼管混凝土拱橋，也是中國第一座鋼管混凝土拱橋，主拱鋼管壁厚為8mm，鋼管內灌注C30混凝土。
圖1 旺蒼東河大橋
受四川旺蒼東河大橋建設成果影響，近30年來，中國建成了包括拱橋、梁橋、斜拉橋、懸索橋在內的各種橋型的鋼管混凝土橋樑。鋼管混凝土作為主拱承載的拱橋已建成460餘座，其中主跨530m的四川合江長江一橋，已於2013年建成通車；主跨507m的四川合江長江三橋，預計於2020年底竣工通車；而主跨575m的廣西平南三橋，將於2021年建成通車。
鋼管混凝土作為主樑承載的梁橋已建成4座，橋樑累計長度達到8420m。2012年建成的四川雅西高速幹海子大橋全長1811m，其主樑為多種跨徑組合的鋼管混凝土桁架連續梁（圖2）。2018年建成的四川汶川克枯大橋全長6431m，採用全鋼管混凝土桁梁建造，全橋施工未用模板，主樑採用整跨架設施工（圖3）。
圖2 雅西高速幹海子大橋
圖3 四川汶川克枯大橋
鋼管混凝土作為複合結構橋墩承載的梁橋共4座，其中四川雅西高速臘八斤大橋地處VIII度地震區，橋墩採用鋼管混凝土格構空心墩，鋼管內灌注C80自密實混凝土，最大橋墩高度為183m，已於2012年建成通車（圖4）；四川金陽河特大橋地處IX度地震區，橋墩採用鋼管混凝土格構空心墩，最大橋墩高度為196m，預計於2021年建成通車。
圖4 四川雅西高速臘八斤大橋
鋼管混凝土作為主樑、索塔承載的斜拉橋和懸索橋已建成5座，其中主跨140m的廣東南海紫洞大橋，索塔為鋼管混凝土單塔柱，主樑為全鋼管混凝土空間桁架形式，於1996年建成通車。主跨220m的重慶巫山手扒巖大橋，索塔的上塔柱為四肢鋼管混凝土格構柱，主樑採用全鋼管混凝土空間桁架形式，於2006年建成通車（圖5）。
圖5 重慶巫山手扒巖大橋
面臨的難題
隨著鋼管混凝土橋樑的不斷髮展，建設該類橋樑，主要面臨以下技術難題：
（1）需要提出單肢鋼管混凝土構件的軸拉、軸壓的承載能力計算方法，並開發結構的工程化應用。
（2）為建設桁式、複合式的鋼管混凝土組合結構橋樑，應當研製出高性能材料，滿足新結構的構造準則，並建立相應的計算方法，準確計算其承載能力；需要設計合理的結構構造及優化安裝工藝，實現工程應用的目標要求。
（3）必須制訂滿足鋼管混凝土橋樑安全適用性和技術經濟性的科學評價準則。
鋼管混凝土單肢組合結構
鋼管混凝土實際上是在鋼管內灌注混凝土，藉助鋼管對核心混凝土的約束作用，使後者處於三向受壓狀態，提高鋼管內混凝土軸心抗壓強度約2.5倍，拉彎強度約1.8倍。近30年來，通過開展鋼管混凝土構件和結構的各項力學性能試驗研究，探索了鋼管與混凝土組合共同作用的工作性能和力學規律。通過系統試驗研究表明，在彈性階段、彈塑性階段、強化階段和破壞階段，鋼管混凝土與鋼材的延性力學特性一致，屬於延性材料，鋼管混凝土材料的荷載位移曲線如圖6所示。
圖6 鋼管混凝土荷載—變形曲線
鋼管混凝土截面驗算時，因鋼管與混凝土始終在局部截面存在脫空的現象，故而這項缺陷在工程中難以避免。特別是對大跨徑鋼管混凝土拱橋而言，主拱鋼管為曲線且直徑更大，灌注飽滿度更難控制。
圖7 鋼管混凝土本構關係
因此，根據鋼管混凝土橋樑工程實踐認識，通過管內混凝土脫空與脫粘缺陷調查分析，結合大量模型試驗研究,建立了鋼管混凝土容限脫空統一理論和本構關係(圖7)，推導出容限脫空鋼管混凝土極限承載能力計算方法（式1）。
γN≤φ1φeKpKdfscAsc (1)
隨著鋼管混凝土橋樑的跨徑增大，結構的材料和幾何非線性問題突出。因此，提出了大跨鋼管混凝土橋樑的非線性穩定計算方法：鋼管混凝土材料採用“無缺陷約束模型”，到“容限缺陷修正模型”的材料非線性計算方法，即EA=0.85ESC ASC，容許脫空約束模型本構關係如圖8所示。根據工程實踐數據，引入幾何非線性初始缺陷的計算方法，即引入初始缺陷△=10cm。
圖8 容許脫空約束模型本構關係
採用單肢鋼管混凝土組合結構修建的橋樑，具有以下工程特點：
1.由於圓形鋼管對混凝土的徑向約束作用，與鋼箱混凝土相比，鋼管混凝土單肢組合結構不用設置抗剪連接構造和加勁構造等連接裝置，使得其結構構造簡單、製造安裝方便。
2.藉助鋼管混凝土的外套鋼管，作為鋼管混凝土橋樑施工的支架和模板，使其具有自架設能力，無須安裝、拆卸和運輸模板。
3.鋼管混凝土強度高、構件截面尺寸小，極大地節省了材料。此外，圓形鋼管混凝土的總體美觀、外形順適，市場需求較高。
2001年建成通車的重慶萬州萬安大橋，為主跨140m的雙塔單索麵斜拉橋，索塔採用單肢鋼管混凝土組合結構；2017年建成通車的貴州清水江大橋，為主跨110m的鋼管混凝土系杆拱橋，主拱採用單肢鋼管混凝土組合結構。
更勝一籌的組合結構橋樑
在鋼管混凝土單肢組合結構橋樑的基礎上,我國橋樑工程師和學者們對鋼管混凝土組合結構橋樑開展了持續的理論研究和技術實踐,取得了一定的創新成果。通過工程實踐表明,與前者相比,此類橋樑具有顯著的技術和經濟優勢。
構造簡潔的桁式主拱
以兩肢、三肢或者四肢的鋼管混凝土，作為主要受力構件，統稱為主管，主管內一般應灌注強度不低於C50的混凝土；通過傾斜式、平行式或者傾斜式與平行式混合的鋼管連接,統稱為支管,支管一般不需要灌注混凝土；由主管與支管組成的桁式結構,形成鋼管混凝土桁式主拱，亦是大跨徑鋼管混凝土拱橋主拱的主要形式。當主管的間距小於兩倍主管直徑時,主管之間可考慮用平行式支管進行連接；若主管間距大於兩倍主管直徑時,一般會採用傾斜式支管。
在鋼管混凝土桁式結構的主管內灌注混凝土，不僅提高了主管受壓極限承載能力，同時提高了節點剛度，與其他桁式結構相比，節點連接處不需要設置節點板等加強性構造。鋼管混凝土桁式結構的支管，作為主管之間的連接構件，鋼管各向剛度均衡，且剛度較大，使主拱支管無論縱向，還是橫向的受力一致，也無須進行加勁。因此，鋼管混凝土桁式結構主拱的結構構造簡潔，施工安裝方便。
圖9 鋼管混凝土桁式主拱
整體剛度高的桁式橋墩
鋼管混凝土桁式橋墩由豎向主管和橫向支管連接組成，豎向主管一般應在管內灌注混凝土，橫向支管則無須如此。與鋼筋混凝土橋墩相比，鋼管混凝土桁式橋墩具有自重輕、結構延性好、抗震性能優異等優勢。通過工程實踐表明，鋼管混凝土桁式橋墩的鋼管重量輕且安裝設備簡單，因主管為豎直結構，其製造安裝的匹配難度小、灌注管內混凝土的密實性好，其豎向承載能力和整體剛度亦得以顯著提高。
圖10 鋼管混凝土桁式橋墩
鋼管混凝土混合橋墩
當橋墩高度大於60m時，受水平地震力影響，鋼管混凝土桁式橋墩的水平剛度一般無法滿足抗震位移需求。因此，沿水平地震力方向，用厚度約為40cm的鋼筋混凝土腹板代替鋼管混凝土桁式橋墩的支管，以提高水平剛度，形成鋼管混凝土組合橋墩。鋼管混凝土組合結構與桁式結構混合使用，形成鋼管混凝土混合橋墩。
四川雅西高速幹海子大橋位於9度地震區，當橋墩高度小於60m時，採用鋼管混凝土桁式橋墩；當橋墩高度大於60m時， 則使用鋼管混凝土混合橋墩。
桁式主樑 多重支撐
鋼管混凝土桁式主樑由鋼管混凝土主管與支管、勁性骨架的鋼筋混凝土主縱梁和鋼-混凝土組合橋面板組合而成，如圖11所示。
圖11 鋼管混凝土桁式主樑示意圖
支管與下弦主管採用相貫焊接連接，與上弦則採用節點板等構造錨固連接。通過理論研究和實踐驗證，在主管和支管內灌注自密實混凝土，能夠顯著提高節點剛度，使相貫節點應力幅降低約25%。相貫節點焊縫的趾部區和過渡區採用全熔透焊接，焊縫熱影響區通過人工修磨除去焊接表面缺陷，疲勞壽命將提高50%以上。通過多年持續開展的多參數組合節點疲勞模型試驗，建立了鋼管混凝土桁式結構焊接節點疲勞壽命的名義應力和熱點應力評價方法，提出了相貫焊接節點無限疲勞的截止容許應力幅，制定了提高疲勞壽命的設計、工藝及檢查維修技術。
鋼管混凝土桁式主樑的主管，採用先張法預應力鋼管混凝土結構，通過試驗和工程實踐表明，此類構件承受拉彎載荷時，鋼管、鋼管內混凝土和預應力鋼束受力和變形是協調一致的。此外，根據模型試驗成果，依據物理模型、數學模型和可靠度理論，提出了容限脫空拉、彎鋼管混凝土統一理論，建立了容限脫空拉、彎鋼管混凝土構件極限承載能力的計算方法。
圖12 鋼管混凝土預應力張拉
鋼管混凝土桁式主樑的加工製造全部在工廠內完成，通過逐節段的匹配檢驗合格後，再拆分成設計的運輸節段，運輸至施工現場，在施工現場進行整跨匹配還原，通過開發的架橋機進行整孔架設鋼管混凝土桁式主樑，再現澆C40高強高韌性橋面板混凝土，完成主樑全部施工。
圖13 整孔架設鋼管混凝土桁式主樑
強勁骨架成拱
將鋼管作為施工支架先行安裝合龍成拱，然後在鋼管內灌注強度不低於C60的自密實混凝土，形成鋼管混凝土強勁骨架，再外包鋼筋混凝土，形成鋼管混凝土複合結構主拱，如圖14所示。
圖14 鋼管混凝土複合結構主拱
支撐外包鋼筋混凝土的鋼管混凝土強勁骨架，必須滿足下列要求：
1.截面含鋼管混凝土率≥8%。
2.鋼管混凝土截面與主拱截面承載力之比≥20%。
3.當對鋼管混凝土強勁骨架進行計算時，應考慮它的複合受力效應。鋼管混凝土強勁骨架可以通過提高管內混凝土強度等級、提高主拱骨架強度、簡化外包混凝土工序和工藝來實現。
根據實際工程經驗，鋼管混凝土強勁骨架成拱的方法，與既有普通骨架成拱的方法相比，外包鋼筋混凝土由11環合龍簡化為2環合龍，大大簡化了施工工藝，縮短工期約8個月。
採用鋼管混凝土強勁骨架的成拱工法，建成了主跨280m的四川布拖金沙江大橋、主跨260m的四川金陽金沙江大橋，主拱鋼管內灌注C60自密實混凝土，再外包C60鋼筋混凝土。建成了主跨分別為280m和320m的四川瀘州磨刀溪大橋及廣安官盛渠江大橋，主拱鋼管內灌注C120自密實混凝土，再外包C55鋼筋混凝土。還建成了主跨365m的四川廣元昭化嘉陵江大橋，主拱鋼管內灌注C80自密實混凝土，再外包C55鋼筋混凝土。以及正在建設主跨510m的四川西寧河大橋，主拱鋼管內灌注C120自密實混凝土，再外包C55鋼筋混凝土。
複合橋墩 可抗強震
以鋼管及連接腹杆作為橋墩的框架結構，先期分段安裝橋墩的框架結構，然後在鋼管內灌注強度不低於C70自密實混凝土，形成鋼管混凝土桁式框架結構。以鋼管混凝土桁式框架結構為施工支架，外包強度等級不高於C30的鋼筋混凝土（收縮徐變量小，防裂性能好），其外包鋼筋混凝土厚度一般小於50cm，作為抗剪連接牆體，形成鋼管混凝土複合結構橋墩，如圖15所示。
圖15 鋼管混凝土複合結構橋墩
鋼管混凝土複合結構橋墩一般適用於橋墩高度≥80m、設防地震烈度大於VII度的橋墩和索塔結構。根據已建工程的理論和實測研究，與鋼筋混凝土橋墩相比，在E2地震作用下，它的地震內力減少20%～50%，具有顯著的技術和經濟優勢。
採用鋼管混凝土複合結構橋墩技術，建成了主墩高度87m的四川雅西高速公路唐家灣大橋、主墩高度157m的雅西高速公路黑石溝大橋、主墩高度183m的四川雅西高速公路臘八斤大橋，以及正在建設的主墩高度196m的四川涼山金陽河大橋。
鋼管混凝土橋樑技術經濟優勢
1.與鋼筋混凝土主拱相比，鋼管混凝土桁式主拱強度提高50%；而與鋼筋混凝土橋墩相比，鋼管混凝土複合結構橋墩的強度提高80%。
2.鋼管混凝土桁式主樑與鋼筋混凝土主樑相比，其總體重量減少37%；當橋墩高度≥160m、設防地震烈度為IX度時，鋼管混凝土複合橋墩的總重量只是鋼筋混凝土橋墩總重量的48%。
3.與鋼結構主拱相比，鋼管混凝土桁式主拱的豎向剛度提高20%；鋼管混凝土拱橋主樑與鋼拱橋、斜拉橋、懸索橋主樑的豎向剛度之比為1：0.7，0.17:0.07；而與鋼結構主樑相比，鋼管混凝土桁式主樑的豎向剛度提高2.6倍；鋼管混凝土複合橋墩的水平剛度則比鋼結構橋墩提高3.1倍。
4.鋼管混凝土拱橋與鋼拱橋相比，其臨時設施費用和造價分別減少32%和47%，工期則縮短28%；而與鋼筋混凝土拱橋比較，它的全橋無需模板及鋼筋綁紮。
5.鋼管混凝土桁式梁橋與預應力混凝土梁橋的造價基本相當；當橋墩高度為80m、設防地震烈度VI度時，鋼管混凝土複合橋墩與鋼筋混凝土橋墩的造價亦相差無幾。
本文刊載 /《橋樑》雜誌 2020年 第4期 總第96期
作者 / 牟廷敏 趙藝程 範碧琨
作者單位 / 四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司
四川交通職業技術學院
