部分填充混凝土钢管（箱）组合结构桥梁应用研究

李运喜，刘 研，刘永健

（1.中交公路规划设计院有限公司，北京 100088；2.南京交通建设项目管理有限责任公司，江苏 南京 210000；3．长安大学 公路学院，陕西 西安 710064）

部分填充混凝土钢管结构可分为部分填充混凝土单管结构和部分填充混凝土桁架结构。对于部分填充混凝土单管结构，按截面形式的不同可分为圆形截面和矩形截面。本文结合部分填充混凝土钢管组合结构桥梁设计实例，对其应用及发展进行分析。

1 部分填充混凝土桥梁结构形式

1.1 部分填充钢管混凝土拱桥

对于常见的钢管混凝土拱桥，可仅在拱脚部分填充混凝土，拱顶不填。拱脚部分压力大，受力复杂，填充混凝土可减少拱脚区域钢材用量以及内部焊接工作量，进一步简化构造，节省工程造价，提高钢管拱的抗冲击能力。拱顶部分为空钢管结构，这可进一步减轻结构重量，降低重心，大大减小横向地震力作用，而且避免了拱顶管内混凝土不密实的问题。

1.2 部分填充混凝土钢管（箱）桁架桥梁

对于钢管(箱)桁架桥梁，在实际应用过程中，可以采用部分填充混凝土的钢管桁架结构，根据实际受力特性，灵活选择填充混凝土的部位和填充数量。

由于混凝土具有很好的抗压性能，在桁架压力较大的弦管中填充混凝土，可分担较大的压力，从而减小弦杆截面面积，防止局部管壁屈曲，减少用钢量，还可防止钢管内部锈蚀，增强耐久性，并具有较好的延性。在钢管桁架节点区域弦杆填充混凝土，可提高节点承载力，避免一般节点复杂的构造；同时降低了节点应力集中程度，提高了抗疲劳性能。

在桁架较大集中荷载作用处、支座和管壁受侧向力区域的管内填充混凝土，可避免钢管管壁局部屈曲破坏。对于拉力较大的弦杆，可在受拉弦管中填充混凝土，然后施加预应力，提高桁架的整体刚度，减小变形。

此外，钢管桁架由于其结构轻便、造型美观、施工方便快捷成为人行天桥等结构的首选。常见的钢管桁架人行桥多为圆形钢管桁架结构，平面结构抵抗外力的能力较强，但切割和焊接难度较大；而矩形钢管桁架钢管间的切割和焊接施工较为方便，但平面结构抵抗面外力的能力远远小于圆拱形结构，见图1。

图1 圆形和矩形钢管承压面

笔者计算分析的矩形钢管桁架节点变形图验证了上述分析。为此，可考虑在矩形钢管桁架的节点区域填充混凝土，以改善矩形钢管桁架的受力性能，弥补矩形钢管桁架的缺点，进一步扩大矩形钢管桁架的应用范围，成熟后其设计和施工可在工厂标准化生产，现场快速拼装。

1.3 部分填充混凝土钢结构塔柱

对于钢结构桥塔、桥墩等，构件本身为偏心受压构件，在根部填充混凝土可大大提高根部受压承载能力，减少根部复杂的加劲措施，防止根部钢结构局部屈曲，提高塔柱结构塑性铰区域的延性，进而提高其抗震性能；同时，还可提高根部抵抗车辆撞击能力。

1.4 工作环境较恶劣的箱型钢结构构件

对于所处环境为干湿交替、空气流通不畅、内部容易积水、养护较难的钢结构构件，可在箱室内部填充轻质混凝土或其他轻质合成材料。

2 研究现状

日本学者在文献［2］中提出使用部分填充混凝土的钢管和钢筋混凝土桥面组合作为斜拉桥的主梁，并通过对一座900 m的斜拉桥的分析与试验，确定这种新结构是可行的和具有竞争力的，桥梁总体布置图见图2。其填充思路为：在边跨端部支座处（区域A1，A2）填充混凝土以减少负反力；桥塔附近主梁内（区域A2和B）存在巨大轴压力，此区域填充混凝土可有效增加抗压能力；跨中部位（区域C）压力很小，在此区域可不填混凝土。钢管内的空间提供了控制沿跨长的重量分布的办法。

文献［3］提出在桥塔到跨中的过渡段部分填充轻混凝土，采用2层钢管相套，在中间环形填充混凝土的形式。

图2 部分填充混凝土钢管斜拉桥总体布置

在国内，部分填充混凝土钢管拱桥已经得到应用。文献［4］对一座部分填充混凝土钢管拱桥——山前大桥进行了受力特性研究，其研究结果表明：部分填充混凝土结构具有良好的弹塑性工作性能；但是钢管段与钢管混凝土段交接处变形曲线出现明显折点，而且拱肋变形较大，这些地方的构造还有待进一步改善。

文献［5］研究了混凝土不同填充长度对桥梁结构动力特性的影响。分析结果表明：填充混凝土对桥梁动力特性有一定的影响，当混凝土填充长度从拱脚超过L/4后，拱肋重心提高，对动力性能影响较明显。

文献［6］通过用有限元软件分析了传统全部填充钢管混凝土拱桥和部分填充钢管混凝土拱桥的面内整体稳定性和使用阶段的位移变形，并通过实桥算例对比，说明部分灌注钢管混凝土拱桥自重轻、稳定性好，且变形值满足使用阶段的要求。

文献［7-9］通过试验和数值模拟相结合的方式，研究了部分填充混凝土桥梁墩柱的动力特性和抗震性能。其研究表明，部分填充混凝土钢管墩柱具有良好的抗震性能。

部分填充混凝土钢管(箱)组合结构桥梁尽管在国内外有一些应用，但还未形成一套完善的理论体系、设计理念和共识。

3 应用现状

部分填充混凝土钢管(箱)组合结构桥梁在国内外桥梁中已有应用，只是由于数量较少，尚没有形成独立的结构概念。早期采用的部分填充理念并不是出于对结构受力的考虑，比如法国Antrenas桥，该桥跨径56 m，为一空间桁式组合结构，为提高钢管拱的抗冲击能力，在其两端拱脚部分填充了混凝土［10］。

国内福建福鼎山前大桥、重庆万盛藻渡大桥、广东佛山东平大桥等也采用了部分填充混凝土单管钢管结构。其中福建福鼎山前大桥为圆管截面，重庆万盛藻渡大桥、广东佛山东平大桥为钢箱截面。

福建福鼎山前大桥采用下承式刚架系杆拱（见图3），两拱脚段水平投影长16.305 m范围内（接近L/4处）为钢管混凝土截面，拱顶段水平投影长42.39 m范围内为空管截面［6］。

图3 山前大桥总体布置图

重庆万盛藻渡大桥的拱肋截面为钢箱截面，拱脚区段钢箱内和跨中区段钢箱顶面浇注混凝土。

东平大桥（见图4）为3片拱肋的多重组合体系拱桥，其主拱、副拱和刚性系梁均采用带加劲肋的钢箱，而边拱采用钢箱混凝土，属于部分填充混凝土钢箱结构。

图4 东平大桥总体布置图（尺寸单位：cm）

部分填充混凝土钢管桁架桥梁结构是在部分填充混凝土单管结构上的进一步发展。湘潭四桥和衡酃路湘江特大桥均为部分填充混凝土钢管桁架结构，桁架构件均采用圆形截面。

湘潭四桥（见图5）为120 m+400 m+120 m斜拉飞燕式系杆钢管混凝土拱桥，边跨与主跨跨度比为0.3。大桥主拱采用中承式双肋无铰平行桁架拱，每肋由6Φ850 mm钢管混凝土组成，拱顶下弦管在无斜拉索区域采用空钢管结构截面。

图5 湘潭四桥立面图

衡酃路湘江特大桥（见图6）为双层钢管桁梁系杆拱桥。边拱和中拱拱肋在拱脚一定长度范围内填充C50混凝土，其余部位为空钢管段。空钢管内设环形横向加劲肋以及4根100×10的纵向加劲肋，灌注混凝土段和空钢管段以钢板隔开，并采取一定的加劲措施［11］。

图6 衡酃路湘江特大桥结构布置

4 实例分析

4.1 某3跨连续刚性悬索加劲钢桁架桥

某3跨钢桁架桥为加劲弦钢桁梁双层桥，上层为高速公路，下层为城市交通。原桥为钢箱桁架结构，计算后比较发现，在图7所示位置的FG段、HH段、CD段钢箱内填充混凝土后，边桁下弦杆轴力增加12%；中支座附近下弦杆应力下降16%，其他杆件应力下降幅度在22%~51%；对于没有填充混凝土的弦杆，应力增加的幅度为11%~13%。

图7 混凝土填充部位

上弦杆填充混凝土后，中支座处没有填充混凝土的GH段轴力增加5%~8%，而在填充混凝土的FG和HH段，轴力增加12%~27%，应力水平降低了29%~44%。总体来说，混凝土对分担压应力的贡献大于其增加的自重效应。斜杆没有填充混凝土，由于自重的增大，轴力和应力变化幅度基本同步，应力增加幅度基本上在6%~13%。

从以上的分析可以看出［12］，混凝土对分担构件压力的贡献大于其自重作用的效应，对整体结构利大于弊。在实际应用中，合理地进行结构的布置，扬长避短，会起到更好的作用。

4.2 某4拱肋全钢靠背拱桥

图8为某4拱肋全钢靠背拱桥，主、斜拱水平力自平衡，主拱依靠钢主梁平衡水平推力，斜拱依靠预应力系杆平衡水平推力。4片拱肋和4片系梁均采用全焊矩形钢箱梁。

图8 某4拱肋全钢靠背拱桥

由于边系杆的截面比主系杆的截面小很多，4个钢箱系杆在平衡各自拱肋的水平推力时，其变形不同步，边系杆伸长长度大于中系杆伸长长度，导致端横梁承受较大的横向弯矩，最终通过在边系梁内施加预应力来达到4个系杆变形同步的目的。

根据“按需分配”原则和部分填充混凝土的理念，在端横梁内填充混凝土，省去边系梁预应力锚固所需要的复杂的加劲构造，简化了构造和施工。同时端横梁填充混凝土可较好地将上部结构荷载传递到支座上，省去复杂的支座部位的加劲构造。端横梁灌注混凝土后，不仅抗弯刚度大大增加，拱肋稳定性安全系数也得到提高。

边系梁截面较小，在边系梁内灌注混凝土，不会增加太多自重荷载，可方便预应力的施加，减少施加预应力后钢箱局部屈曲的风险，避免了空箱内预应力后期的养护难度。

在拱脚大概L/4区域灌注混凝土，可以改善拱脚部分受力，节省加劲构造措施，节省钢材，提高结构抗风性能，在桥梁运营过程中，还可增强拱脚区域钢箱结构抗车辆撞击能力。

5 部分填充混凝土钢管(箱)结构应用展望

（1）对于小跨径的简支梁桥，采用部分填充混凝土钢管桁架结构，便于于工厂加工，一方面有利于施工质量的保证；另一方面在山区等施工环境较复杂的桥梁施工现场，可以直接架设，既简便快速又减小了施工难度。在结构发展成熟后，部分填充混凝土钢管桁架简支梁桥可以实行标准化节段设计。

（2）对于中等跨径的连续梁桥，一般采用预应力混凝土连续梁式桥，当跨径达到240~270 m时，其恒载在桥梁荷载作用中所占比例可达93%，而活载内力仅占7%［12］，随着跨径的进一步增加，其恒载所占比例可能更高。据资料［12］研究表明，在300~380 m的跨径范围内，如果采用钢管混凝土空间桁架连续刚构，其恒载内力所占比例只有85%。如果进一步优化结构，采用部分填充混凝土矩形钢管桁架结构，其恒载所占比重将进一步减小。

（3）90年代以后钢管混凝土拱桥日益增多，跨径不断增大，且近年来大跨度钢拱桥也日渐增多。在拱桥的发展中引入部分填充混凝土钢管拱桥，对于改善桥梁使用阶段的受力性能，尝试和发展新的拱桥形式有重要作用。

（4）对于缆索支撑桥梁，索塔是主要的承重构件之一，它不仅要承受巨大的轴力，而且还要承受一定的弯矩。因此早期多用钢塔结构，近年来趋于采用钢筋混凝土结构。从受力角度考虑，部分填充混凝土钢箱结构是可以用来修建斜拉桥主梁和主塔的，而且具有较好的延性和抗震性能。

（5）对于市政工程桥梁，特别是人行天桥等钢管作为构件的桥梁，造型美观，结构轻盈，外表华丽，与城市的环境非常协调。采用钢管桁架的结构形式，有利于快速施工，整桥标准化工厂制作，减少城市主干道的占用时间。城市人行天桥一般为跨城市主要道路，桥下空间一般为城市主干道，采用混凝土钢管桁架，配合预应力的使用，可以增大桥梁的跨度，尽量减少桥梁支撑点，节省桥下空间。

随着科技的发展，一些质量更轻、性能更好的人工复合轻型材料会不断涌现，也可作为钢管、钢箱等桥梁结构构件的填充物。

6 结语

本文对部分填充混凝土土钢管(箱)结构桥梁的可行的结构形式进行了探讨，并结合工程实例进行了分析，分析结果表明该结构形式具有明显的优越性及合理性。这一新型结构形式对丰富和发展钢-混组合结构理论，拓宽组合结构的应用范围具有重要的意义。

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