钢管混凝土拱桥模型试验综述

郑　健，林广泰

(广西路桥工程集团有限公司，广西　南宁　530011)



钢管混凝土拱桥模型试验综述

郑健，林广泰

(广西路桥工程集团有限公司，广西南宁530011)

文章根据目前钢管混凝土拱桥截面形式的分类，对钢管混凝土拱桥模型试验内容及结论进行介绍，为工程实际以及后续学者的研究提供借鉴。

钢管混凝土拱桥；极限承载力；模型试验

0　引言

近年来，钢管混凝土结构凭借强度高、塑性和韧性好、抗变形能力强以及跨越范围大等诸多优点，在国内公路桥梁和城市桥梁中发展迅猛，至今已超过三百座[1]。另一方面，拱桥结构作为交通线上的重点节点，一旦出现结构极限承载力不足而导致的整体安全问题，将造成严重后果。因此，开展钢管混凝土拱桥结构极限承载力研究是必要的。

模型试验法作为研究结构极限承载力的重要方法，直观、可信，为工程建设提供了科学参考，为结构理论分析提供数据支撑，是检验数值理论正确性的重要依据，同时也是巩固结论正确性的主要手段之一。近些年来，众多学者开展过大量的钢管混凝土结构模型试验，根据钢管混凝拱桥截面形式的不同，可将其分为肋式模型试验和桁式模型试验。

1　肋式模型试验

如图1所示，根据截面形状的不同，钢管混凝土肋式拱桥主要可分为圆形截面和哑铃型截面两种。

(a)圆形

(b)哑铃型

圆钢管混凝土抗压强度好而抗弯强度低，因而主要应用于80 m以下的城市桥梁和人行桥中。拱桥中绝大部分为哑铃型断面，其通常用在中小跨径的钢管混凝土拱桥设计中，跨径通常在100 m左右[2]。

1.1圆钢管混凝土肋拱模型试验

根据圆钢管混凝土拱结构形式的不同，可分为平面结构模型拱试验和空间结构模型拱试验。

1.1.1平面结构模型拱试验

2000-2003年，陈宝春进行了多个钢管混凝土(单圆管)肋拱面内受力模型试验[3-8]，其中：(1)一组模型试验以福建福安群益大桥为背景，设计跨径为4.6 m，选用φ76×3.792mm的钢管，内灌C40的混凝土，共2个模型，一个沿跨径方向1/4截面处作用竖向集中荷载，另一个沿跨径方向1/2跨截面处施加竖向集中荷载。试验表明钢管混凝土具有良好的弹塑性性能和较高的承载能力，且非对称加载为结构的不利荷载工况。(2)另一组模型以福建省福鼎市山前大桥为背景，设计跨径为7.5m，拱肋选用φ121×4.5mm的钢管，钢管内灌混凝土，分别进行了两根钢管肋拱、两根钢管-钢管混凝土复合拱和全跨均为两根钢管混凝土的肋拱模型试验，加载方式分别为同一侧两点集中荷载的非对称荷载和沿跨径的六分点截面处施加集中荷载的五点对称加载结构。试验研究表明，与钢管拱相比，钢管混凝土拱刚度大、承载力高并具有良好的弹塑性工作性能，此外，通过对两点非对称加载试验和五点对称加载试验的比较，表明了非对称加载是结构的不利工况。2015年，吴欣荣制作了三种不同矢跨比的钢管混凝土抛物线拱试件[9]，并分别进行了单点加载(包括拱顶加载和四分点加载)、五点对称加载试验，分析得到不同矢跨比下结构的破坏模式、极限承载力及钢管对混凝土约束作用的影响。

1.1.2空间结构模型拱试验

1997年，杨永清制作了两个空间钢管混凝土肋拱试验，对平行双肋拱和X型双肋拱(提篮拱)在面内荷载和面外荷载共同作用下的全过程试验[10-11]，试验表明了X型双肋拱比平行肋拱的极限承载力低9.1%，并通过与钢筋混凝土拱桥对比，表明了钢管混凝土具有承载力高的优势。2004年，崔军以淳安南浦大桥为背景，开展了全桥模型试验[12-13]，模型试验对荷载工况进行了对比研究，并表明了半跨加载时的应变和挠度均大于全跨加载，这说明半跨加载是不利的荷载工况。2005年陈宝春以福鼎市山前大桥为工程背景，进行了钢管(单圆管)混凝土拱桥空间受力试验研究[14-15]，拱肋面内采用竖向五点对称加载，并在拱顶处施加一垂直于面内的面外集中荷载，大小为面内单点竖向荷载的10%；试验表明结构面内的受力对面内拱轴线的偏差(初始缺陷)的敏感性大于面外受力对拱轴线面外偏差的敏感性，且较小的横向荷载将引起肋拱较大的横向变形，面外变形是结构极限承载力的重要控制因素。

1.2哑铃型钢管混凝土模型拱试验

2003年，曾国锋开展了哑铃型钢管混凝土拱肋的极限承载力试验[16-17]、钱江四桥双层桥面的全桥模型试验[18-19]。模型拱肋试验结果表明，结构在沿跨径1/4截面处施加集中荷载，结构呈现反对称变形，在两拱脚以及拱顶到截面之间处某截面出现塑性区，结构表现出较好的延性特点。对于模型桥双层桥面，无论是对称加载还是偏载，钢管拱肋和系梁的应力、变形均较小，结构处于弹性受力范围内。这证实了实桥在设计荷载作用下，结构有较大安全富余。2009年，陈宝春、盛叶进行了两个哑铃型钢管混凝土肋拱试验，分别沿跨径方向1/2截面和1/4截面处施加集中荷载。试验结果表明：哑铃型钢管混凝土肋拱在加载全过程中拱肋无局部屈曲现象，具有良好的弹塑性性能和较高的承载力，与圆钢管混凝土肋拱有相似的面内受力性能[20]。2015年，韦建刚、李晓辉等人对哑铃型钢管混凝土肋拱空间受力性能开展了试验研究[21]，面内分别沿跨径六分点截面处施加集中荷载，并在拱顶施加垂直于面内的横向面外荷载，大小为单点竖向力的10%，研究表明了结构面内以受压为主，而面外则以外弯矩为主，结构最后发生了整体面外失稳破坏，其承载力由面外受力状况和变形控制。

2　桁拱模型试验

桁式拱肋较拱肋桥具有较好的受力特点，广泛应用于大跨度钢管混凝土拱桥中，其常见的截面形式是空间桁式拱肋和劲性骨架箱型肋(如图2所示)。这两种形式都具有较大的纵横向抗弯刚度，多用于跨径在200m以上的拱桥中[2]。空间桁式拱中，常见的截面形状为横哑铃型桁式、混合式和多肢式等等。其中，横哑铃型桁式和四肢式最为普遍。

图2钢管混凝土桁拱拱肋截面形式示意图

2015年，黄福云、钱海敏等进行了截面形状为四肢式的钢管混凝土桁式拱结构试验，并在拱顶处施加竖向集中荷载试验，研究表明，桁拱具有良好的整体性能和塑性抗变形能力[22]。

3　结语

文中对目前钢管混凝土拱桥模型试验进行了归纳，并对各个模型试验的研究内容以及相应的结论进行了介绍，为工程实际提供良好的参考，同时也为后续学者的研究提供了有益的借鉴。

[1]陈宝春，刘福忠，韦建刚.327座钢管混凝土拱桥的统计分析[J].中外公路，2011，31(3)：102-109.

[2]滕启杰.钢管混凝土拱桥的极限承载力研究[D].大连：大连理工大学，2007.

[3]陈宝春，陈友杰.钢管混凝土肋拱面内受力全过程试验研究[J].工程力学，2000，17(2)：43，44-50.

[4]陈宝春，韦建刚.管拱面内五点对称加载试验及其承载力简化算法研究[J].工程力学，2007，24(6)：73-78.

[5]陈宝春，韦建刚，林英.管拱面内两点非对称加载试验研究[J].土木工程学报，2006，39(1)：43-49.

[6]林英.钢管-钢管混凝土复合拱桥面内受力性能试验研究[D].福州：福州大学，2000.

[7]秦泽豹.钢管混凝土单圆管肋拱极限承载力研究[D].福州：福州大学，2003.

[8]韦建刚.钢管混凝土对称弯压拱分支点失稳问题研究[D].福州：福州大学，2002.

[9]吴欣荣.钢管混凝土拱施工阶段抗风性能与成桥阶段稳定性能研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2015.

[10]王宇，何广汉，杨永清，等.钢管混凝土肋拱的横向稳定性分析[J].工程力学，1998，15(2)：356-361.

[11]杨永清.钢管混凝土拱桥横向稳定性研究[D].成都：西南交通大学，1998.

[12]崔军，孙炳楠，楼文娟，等.钢管混凝土桁架拱桥模型试验研究[J].工程力学，2004，21(5)：83-86.

[13]崔军.大跨度钢管混凝土拱桥受力性能分析[D].浙江：浙江大学，2003.

[14]陈宝春，韦建刚，林嘉阳.钢管混凝土(单圆管)单肋拱空间受力试验研究[J].工程力学，2006，23(5)：99-106.

[15]林嘉阳.钢管混凝土(单圆管)单肋拱空间受力研究[D].福州：福州大学，2004.

[16]曾国锋，范立础，章关永.应用复合梁单元实现钢管混凝土拱桥的极限承载力分析[J].铁道学报，2003，25(5)：97-102.

[17]曾国锋.钢管混凝土系杆拱桥极限承载力研究[D].上海：同济大学，2003.

[18]石志源，王博，曾明根.双层桥面钢管混凝土拱桥试验模型设计及理论分析[J].桥梁建设，2003(4)：34-36.

[19]王博.双层桥面钢管混凝土系杆拱桥模型试验研究[D].上海：同济大学，2003.

[20]陈宝春，盛叶.钢管混凝土哑铃形拱面内极限承载力研究[J].工程力学，2009，26(9)：94-104.

[21]韦建刚，李晓辉，陈礼榕，等.钢管混凝土哑铃形截面拱空间受力性能试验研究[J].工程力学，2015，32(11)：79-86.

[22]黄福云，钱海敏，陈宝春，等.钢管混凝土桁式拱结构平面内受力性能试验研究[J].建筑结构学报，2015，36(12)：120-128.

Summary of CFST Arch Bridge Model Test

ZHENG Jian，LIN Guang-tai

(Guangxi Road and Bridge Engineering Group Co.，Ltd.，Nanning，Guangxi，530011)

According to the current cross-section form classification of CFST arch bridges，this article introduced the content and conclusions of CFST arch bridge model tests，thereby providing the reference for the engineering practices and the study of subsequent scholars.

CFST arch bridge；Ultimate bearing capacity；Model test

U448.34

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.07.017

1673-4874(2016)07-0066-03

2016-05-30

郑健(1990—)，硕士，研究方向：钢管混凝土结构安全性；

林广泰(1989—)，硕士，研究方向：组合桥梁混凝土结构。