[科普中國]-鋼管混凝土橋

施工工序

鋼管混凝土拱橋的施工工序主要包括澆筑鋼筋混凝土V形支墩與箱梁、空鋼管拱肋合龍、系桿安裝與張拉、拱肋混凝土灌注、吊桿安裝與張拉、吊裝橋面系橫梁與縱梁、鋪設(shè)橋面預(yù)制空心板、澆筑橋面混凝土、安裝防撞墻、鋪裝橋面系瀝青混凝土等。多跨連續(xù)鋼管混凝土拱橋的施工一般采取由邊跨向中間跨依次流水施工的施工順序，待一道施工工序全橋完成以后，再進行下一道施工工序的施工。這樣的施工方案的優(yōu)點在于：最大限度的實現(xiàn)了各跨間的均勻加載，從而有效的保證了拱肋線型，使得V形支墩及拱肋內(nèi)的應(yīng)力較為均勻。1

特點鋼管混凝土拱橋的拱肋是以受壓為主的構(gòu)件，且一般具有跨徑大及寬跨比比較小的特點，因此其穩(wěn)定性一直以來都是橋梁工程師所關(guān)注的問題。在大跨橋梁中，由于跨度一般比較大，所以都必須采用高強度材料，而且由于跨度的增加、承載力大，就要求提高其抗震能力，從而要求結(jié)構(gòu)具有較好的延性和恢復(fù)能力。鋼管混凝土組合材料用于拱橋中就能很好的滿足以上問題。由于鋼管混凝土具有很高的承載能力，它可以減少橋梁的自重，可以很大程度上改善大跨度拱橋的抗風能力和抗震能力，在風荷載作用的橫向穩(wěn)定性中，使用鋼管混凝土拱橋，則可以根據(jù)需要把拱肋做成合理型式的曲桁架結(jié)構(gòu)，還可以獲得拱肋所必須的結(jié)構(gòu)剛度，在保證構(gòu)件整體穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，使拱肋結(jié)構(gòu)避風面積小，所受風荷載減少，以到達改善橋梁橫向穩(wěn)定性能。2

性能鋼管混凝土在受壓時能夠產(chǎn)生緊箍力，這是鋼管混凝土具有特殊性能的基本原因?；炷猎诟邞?yīng)力時，其泊松比的變化超過鋼材，使得它的徑向變形大于鋼材的徑向變形，從而在二者之間產(chǎn)生了漸增的相互作用力一緊箍力，而使混凝土呈現(xiàn)三向應(yīng)力狀態(tài)，使其承載能力大大提高。同時，鋼管的套箍作用大大地提高了混凝土的塑性性能，使得高強混凝土的脆性弱點得以克服，同時由于管內(nèi)混凝土的存在，也提高了薄壁鋼管的局部穩(wěn)定性，使其強度可以充分發(fā)揮。2

鋼管混凝土的優(yōu)點和缺點一、鋼管混凝土的優(yōu)點：

具有優(yōu)越的力學性能： 其一，由于鋼管的緊箍作用使混凝士處于三軸向受壓應(yīng)力狀態(tài),間接提高了混凝土的極限抗壓強度。其二，由于混凝土的填充作用,提高了鋼管抵抗局部屈曲的能力。鋼管混凝土構(gòu)件充分發(fā)揮混凝土和鋼材的材料性能,提高了構(gòu)件的承載能力,同時又具有較好的塑性和韌性,為高強混凝土和高強鋼材的應(yīng)用提供了廣闊的途徑。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)防火性比RC結(jié)構(gòu)差，比全鋼結(jié)構(gòu)強，防火涂料可省一半以上。

二、鋼管混凝土的不足之處：

暴露在大氣當中與空氣和水分相接觸,或與有害氣體發(fā)生反應(yīng),造成鋼的腐蝕。按其反應(yīng)機理可分為化學腐蝕和電化學腐蝕：化學腐蝕過程不伴隨電流的流動，鋼材在高溫工作條件下受到氧氣，二氧化碳，硫化氫和鹵素等氣體的腐蝕，就屬于化學腐蝕。鋼材在腐蝕過程中伴隨有電流流動的叫電化學腐蝕,鋼材在潮濕空氣中或在電解質(zhì)溶液中的腐蝕,就屬于電化學腐蝕。鋼材按自然環(huán)境引起的腐蝕又可分為大氣腐蝕，土壤腐蝕,海水腐蝕,淡水腐蝕和生物腐蝕等。鋼管混凝土拱橋所處的自然環(huán)境引起的腐蝕主要為電化學腐蝕和大氣腐蝕。3

疲勞分析管節(jié)應(yīng)力集中的影響因素：(1)截面突變：這是產(chǎn)生幾何應(yīng)力的因素，應(yīng)力集中一般都發(fā)生在截面突變的地方，對鋼管混凝土拱橋來說，絕大多數(shù)管節(jié)點均是通過支管與主管焊接相連形成相貫節(jié)點，因此，在相貫線處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

(2)焊縫形狀的影響：焊接缺陷主要是指焊縫中的裂紋、未焊透、咬邊、氣孔、夾渣等。由于這些缺陷的存在，使得焊縫局部產(chǎn)生應(yīng)力集中。

(3)局部剛度的影響：

①荷載傳遞的因素在腹管受軸向拉力作用時，由于它的軸向剛度相比弦管徑向剛度來說較大，所以可近似地認為沿腹管與弦管交接線上弦管位移相等。又由于弦管頂部垂直方向的剛度最小，所以在冠點處弦管對腹管的反作用也小，相貫線越向下，弦管的垂直方向剛度越大，在最深的鞍點處剛度最大，所以在鞍點弦管對腹管的反作用力也最大。因此，腹管傳給給弦管的垂直載荷沿交接線的分布是不均勻的。根據(jù)應(yīng)力按剛度分配的原則，弦管沿腹管方向剛度，冠點處剛度最小，分配的荷載最小，鞍點處剛度最大，分配的荷載也最大。

②弦管的橫斷面變形當腹管承受軸向拉力時，弦管受沿腹管方向的作用力而發(fā)生變形，由腹弦管之間的約束作用，會沿交接線處產(chǎn)生附加應(yīng)力，對弦管，鞍點處產(chǎn)生正的附加應(yīng)力，冠點處產(chǎn)生負的附加應(yīng)力，這將使鞍點所受的拉應(yīng)力加大，冠點的拉應(yīng)力減小，甚至由原來的受拉變?yōu)槭軌骸?/p>

③腹管的橫斷面變形當腹管受軸向力作用時，腹管直徑將有縮小的趨勢，但由于弦管的約束，腹管將產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，使腹管管壁外表面拉應(yīng)力加大，腹管這一局部彎曲作用同時也影響到了弦管的應(yīng)力分布。

④弦管管壁變形：由于弦桿管壁具有柔性，在腹管作用下，弦桿管壁沿相貫線將有局部彎曲的趨勢，由此產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力也很大。

裂紋裂紋規(guī)律性：

(1)開裂的位置均在冠點焊趾附近，裂紋源分別有單源和多源兩類，但最終均匯合形成主裂紋，裂紋深度~般在穿透主管壁后，裂紋便開始加速擴展。

(2)裂紋有沿相貫線向上和向下兩個方向擴展的趨勢，擴展的過程中，分兩個階段，第一個階段，裂縫主要向冠點方唰擴展，其擴展速度要遠大于向鞍點擴展的速度；第二個階段，當裂紋向上完全延伸至冠點后，整條裂紋便加速向下擴展。

(3) 疲勞裂紋的擴展速率是一個由慢至快的過程，裂紋穿透壁厚前，速率較慢，穿透壁厚后，速率明顯增加，且隨裂紋長度的增加，速率也越來越快.

(4) 裂紋穿透主管壁厚后還有較長的裂后壽命，這是混凝土保證了管節(jié)點剛度的作用，因而以穿透壁厚時的壽命作為疲勞壽命判據(jù)是安全的.

影響焊接管節(jié)點疲勞性能的因素(1)殘余應(yīng)力的影響：外部荷載作用于結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞損傷時，主要是應(yīng)力脈的影響，而與荷載產(chǎn)生的最大應(yīng)力關(guān)系不大，而焊接結(jié)構(gòu)一般都有殘余應(yīng)力存在，殘余應(yīng)力在焊接結(jié)構(gòu)中是必然存在的，焊接工藝的改善只能盡可能的減小殘余應(yīng)力，但無法消除它。

(2)節(jié)點形式：不同的管節(jié)點形式也會對疲勞強度產(chǎn)生影響。研究和試驗證明，相同材料和相同焊接工藝的管節(jié)點中，T型管節(jié)點的疲勞強度最低，這是因為T型管節(jié)點的幾何應(yīng)力集中系數(shù)最大，在相同名義應(yīng)力的情況下，其熱點區(qū)域的應(yīng)力集中要高于其他類型如Y型和K型等管節(jié)點，因此疲勞強度也會低于其他幾種節(jié)點。

(3)結(jié)構(gòu)參數(shù)：結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響可從應(yīng)力集中系數(shù)方程中得到，即使是相同的Y型節(jié)點，但若節(jié)點參數(shù)不同，如主管徑厚比，支、主管直徑比等不同，則所得應(yīng)力集中系數(shù)便不同，節(jié)點的疲勞強度自然不同。其中和對疲勞性能影響較大。

(4)焊接缺陷：焊接缺陷是對管節(jié)點疲勞強度影響較大的因素，但是可以通過對焊接工藝進行改善和對焊縫進行焊后修磨來進行調(diào)整的。焊接缺陷有很多，常見的主要有裂紋、未熔合、未熔透、氣孔、夾渣、咬邊和飛濺等，在疲勞荷載作用下焊接缺陷會引起較大的應(yīng)力集中從而導(dǎo)致疲勞裂紋的產(chǎn)生，甚至很多疲勞裂紋就是從最初的焊接缺陷裂紋逐漸擴展形成的。4

焊接工藝的研究正確的焊接工藝和焊后處理可以減少應(yīng)力集中程度，改變殘余應(yīng)力分布甚至產(chǎn)生有利的殘余應(yīng)力。因此，擬通過試驗研究和理論計算分析，確定合理的焊接工藝和焊縫形式，提出可提高疲勞強度的焊后處理方式。主要包含如下幾點：①管結(jié)構(gòu)用材的韌性指標；② 焊接接頭的強韌比；③焊縫金屬和母材金屬的強韌性匹配；④焊縫形式的確定；⑤殘余應(yīng)力測試；⑥提高疲勞強度的有效工藝措施，如TIG熔修、砂輪打磨和錘擊法等。5