钢管混凝土组合结构桥梁设计原理与技术发展综述

钢管混凝土组合结构桥梁设计原理与技术发展综述

邓永乐、刘冠冲、党强

中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司

陕西省西安市710065

摘要：为充分利用钢与混凝土材料优势，将其以上下或内外结合应用于桥梁结构同一截面，形成钢-混组合结构桥梁。其中，钢管混凝土桥梁作为内外组合代表性结构，其应用取得了显著成就。

关键词：钢管混凝土；组合结构；桥梁设计；技术发展

众所周知，确保钢-混界面性能可靠性是发挥材料组合效果前提。对于组合梁与桥面板上下组合结构，工程界已达成共识，经设置栓钉及开孔钢板(PBL)等连接件来确保钢-混界面性能可靠性。

一、钢管混凝土界面性能可靠性影响因素

钢与混凝土材料间固有差异使钢管混凝土界面性能难以保证可靠性。钢导热系数约50～60W/(m·K)，混凝土导热系数约0.2～1.25W/(m·K)，两者比值约50:1。由于两种材料热传导不同，在水化热及日照等作用下，存在内外温差，易导致钢-混界面脱粘及脱空。而且钢及混凝土的泊松比和弹性模量存在显著差异，难以同时满足法径向应变协调，加之混凝土本身收缩徐变性加剧了钢-混界面脱粘及脱空可能性。此外，在车辆往复疲劳荷载作用下，钢管混凝土界面粘结强度会显著降低。

钢-混界面状态决定了界面传力性能，可分为钢管混凝土构件界面传力、节点界面传力，由于钢和混凝土泊松比不同，钢和混凝土在弹性、塑性、极限状态下环向接触应力不断变化，相应的切向摩擦力也发生变化。可见，钢管混凝土构件界面传力机理复杂。另外，钢管主要通过焊接成型，也可作为混凝土浇筑模板，成型方法差异决定了大多钢管混凝土桥梁采用相贯焊接节点构造。一方面，考虑到先架设钢管后浇筑混凝土施工顺序，钢管存在初应力；另一方面，桥面荷载经立柱-拱肋节点直接传递到钢管表面，导致钢管先受力。在此基础上，后续需经钢管混凝土构件或节点界面传力长度，实现钢管与混凝土共同工作。可见，钢管作为钢管混凝土构件首选承载结构，其应力水平高，尤其是焊接相贯节点处，应力集中明显，会导致节点疲劳破坏。

考虑到钢-混界面脱粘及脱空，以及界面传力复杂性，工程中钢管混凝土界面发生剪切滑移，尤其是在弯剪荷载下，界面剪切滑移效应明显，此时可认为钢管混凝土组合作用失效，结构承载机理与两种材料弹性模量及抗压强度密切相关。

需注意，随着钢管混凝土在大跨度桥梁中的应用，其截面尺寸限制不断突破，钢管径厚比或宽厚比已超过其极限。因此，如何在超大截面尺寸钢壁板上合理设置加劲肋，防止钢壁板局部屈曲失效，成为保证钢管混凝土发挥组合作用的前提。

二、钢管混凝土组合结构桥梁创新技术

1、钢管混凝土桥梁创新结构。因钢与混凝土材料差异，钢管混凝土桥梁在使用中界面不可避免会出现脱粘、脱空，使钢管混凝土构件与节点界面力难以传力，导致钢管混凝土组合作用失效，该情况下，钢管混凝土桥梁难以称为“组合结构”。

根据组合梁及组合桥面板设计原则，经在钢-混界面设剪力件，提出内栓钉钢管混凝土桥梁结构及PBL加劲型钢筋钢管混凝土桥梁结构。内栓钉钢管混凝土桥梁结构为在钢管混凝土桁式拱肋或桁梁节点区域钢管内壁设栓钉，栓钉能发挥连接件作用，保证钢-混界面及节点传力可靠，提高节点静力及疲劳性能。PBL加劲型钢管混凝土桥梁结构为在钢管混凝土构件内壁纵向通长设开孔钢板(PBL)，PBL兼具连接件及加劲肋作用，能保证钢管混凝土界面及节点传力可靠性，增强强壁板局部稳定性及构件承载机理，这两种创新结构不能直接避免钢管混凝土桥梁在使用中的界面脱粘，但能保证钢-混界面工作性能，抑制脱粘的影响，使钢-混结构仍能发挥组合作用。

圆形钢管采用卷制而成，管内布有栓钉及PBL需有一定施工空间，所以内栓钉及PBL适用于截面尺寸大的圆管截面，直径通常大于800mm。与圆形截面相比，矩形截面由四块板拼接而成，因而对任何截面尺寸，都能实现管内栓钉及PBL布置。

2、内栓钉钢管混凝土桥梁结构。内栓钉起连接件作用，在界面性能方面，有学者对钢管混凝土内栓钉抗剪承载力进行试验研究。结果表明，有栓钉钢管混凝土试件极限荷载约为无栓钉试件的7.9～15.8倍，栓钉能提高钢管混凝土构件脱粘后的共同工作性能。同时指出，与组合梁不同，管内混凝土与钢管不会分离，栓钉作用得到充分发挥，极限承载力约为组合梁1.69～1.73倍，并且还提供了多排多列栓钉纵环向布置间距要求，以确保栓钉在工程中先于混凝土破坏，充分发挥其抗剪性能。

在节点力学性能方面，有学者对内栓钉钢管混凝土K型节点进行了静力性能试验，结果表明，主管内填混凝土避免了弦杆屈服线及冲剪破坏的发生，仅发生支管破坏，在此基础上，弦杆内设栓钉，有助于将钢管上外力传递到管内混凝土，降低钢管应变，改善应变集中部位。钢-混桁式拱桥使用寿命存在节点疲劳开裂，可见，钢-混节点疲劳性也值得关注。

3、PBL加劲型钢管混凝土桥梁结构。PBL兼具连接件及加劲肋作用，在界面性能方面，有学者对PBL加劲型矩形钢管混凝土进行试验，结果表明，作为刚性连接件，设置PBL能使界面强度提高2倍以上，剪切模量提高3倍以上，而且PBL本身具有极高抗剪承载力。另有学者指出，钢-混桥塔中PBL能提供法向抗拔性能，它对受压钢壁板向外屈曲有一定限制作用，并能分担索塔锚固区钢壁板水平拉力，对此提出PBL抗拔初始刚度计算方法。

在节点力学性能方面，有学者指出，对于受压节点，PBL提供了显著界面抗剪性能，有效限制了管内混凝土纵向膨胀，其反作用力略微提高了混凝土局部承压；对于受拉节点，PBL能提供抗拔效果，有效限制弦杆顶板在PBL位置的外凸变形，提高节点抗拉刚度及承载力。另有学者分析了PBL对钢管混凝土K型节点脱空后性能的影响，结果表明，在弦杆中加入PBL提高了钢管表面刚度，不同脱粘率下节点破坏模式转变为受压腹杆局部屈曲破坏，表明PBL降低了核心混凝土脱空的不利影响，当脱粘率高时，PBL作用更显著。

在构件承载性能方面，有学者对PBL加劲型矩形钢管混凝土柱进行轴压性能试验，起到加劲肋作用，改变了构件破坏模式，钢管壁板屈曲由单鼓曲变为双波鼓曲，屈曲程度降低，增强了钢管混凝土组合作用，与不加PBL的钢管混凝土相比，其轴压承载力提高27.80%。另有学者以钢管混凝土桥塔为研究对象，对PBL加劲型矩形钢管混凝土板单元进行轴压性能试验，结果表明，PBL对超大宽厚比壁板局部屈曲具有显著的限制作用，合理设置PBL间距能有效避免壁板弹性屈曲，发挥结构组合效应。并且完成了PBL加劲型矩形钢管混凝土长柱的轴压试验，结果表明，试件最终发生了弯曲失稳破坏，PBL保证了界面工作性能，试件中钢管与混凝土间无剥落现象。

三、钢管混凝土组合结构桥梁设计原理亟待研究内容

1、引起钢管混凝土脱粘、脱空因素多，脱粘、脱空机理复杂，现有研究简化了此问题，单独分析了各因素影响，而实际工程中，多因素的耦合机理复杂，需进一步探究，这一理论问题是制约钢管混凝土桥梁应用的核心。

2、当前，对钢-混桥梁界面传力研究少，主要借鉴房建结构中相关研究成果，然而，两者在截面尺度、使用环境、荷载条件等存在显著差异，要对钢-混桥梁的界面传力进行深入研究，以完善现有规范体系，为桥梁局部设计构造提供理论指导。

3、钢与混凝土材料间存在显著差异，弹性和塑性阶段差异也不同，需进一步研究钢管和核心混凝土在不同荷载下纵环向应力-应变变化，以明确两者在不同应力阶段的相互作用，揭示钢管混凝土组合作用机理。

参考文献：

[1]陈宝春.我国钢-混凝土组合结构桥梁研究进展及工程应用[J].建筑结构学报,2016,34(增1):1-10.

[2]韩林海,牟廷敏,王法承,范碧琨,李威,梁健,侯超,马丹阳,陈锦阳,李成君.钢管混凝土混合结构设计原理及其在桥梁工程中的应用[J].土木工程学报,2020,53(05):1-24.