【正文】 進(jìn)是本次研究的一個重要內(nèi)容。 桁式拱肋能夠采用較小的鋼管直徑取得較大的縱橫向抗彎剛度，且桿件以受軸向力為主，能夠充分發(fā)揮材料的特性，對跨徑超過 100m的鋼管混凝土拱橋，桁肋是一個比較合適的截面形式。桁式截面中三管和六管截面應(yīng)用較少，四管截面 應(yīng)用最多。四管截面還可以根據(jù)橫向兩根鋼管之間的聯(lián)系方式分為橫啞鈴形、全桁式以及組合式。桁式拱肋是由鋼管混凝土弦桿與腹桿、平聯(lián)（一般為空鋼管）焊接而成的桁式結(jié)構(gòu)，管接頭的焊接質(zhì)量與抗疲勞性能是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵 [16]。由于桁 式截面適用于跨徑較大的鋼管混凝土拱橋，因此桁式截面是本項(xiàng)研究的重點(diǎn)。 我國長期以來，受經(jīng)濟(jì)條件和技術(shù)條件的限制，鋼橋修建相對較少，尤其在公路橋梁中。在鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)中，鋼管作為鋼結(jié)構(gòu)的一種，有許多結(jié)構(gòu)構(gòu)造方面的問題值得研究，比如拱肋管接頭、橫撐的構(gòu)造、吊裝接頭、合攏接頭等，目前這方面研究開展 得也不多。特別值得指出的是，大跨度鋼管混凝土拱采用的桁肋是一種管結(jié)構(gòu)，這種管結(jié)構(gòu)過去在我國的橋梁中幾乎沒有什么應(yīng)用，因此，對于管結(jié)構(gòu)的合理的結(jié)點(diǎn)形式、抗疲勞性能等等都有待我們的研究。 我國過去修建的拱橋多為上承式拱橋，而鋼管混凝土拱橋中，中下承形式應(yīng)用較多。這些中下承拱橋中，下承部分橋面系的構(gòu)造形式、吊桿構(gòu)造、與拱肋的關(guān)系、伸縮縫的設(shè)置等問題已進(jìn)行了一些可貴的探索，但也還缺乏深入系統(tǒng)的研究。已有一些橋梁在橋面系的使用中暴露出一些問題，如橋面系振動較大、吊桿生銹與更換困難、下承部分橋面板小支座脫落且更換困難等 等。 我國的鋼管混凝土拱橋的橋面系結(jié)構(gòu)，除少數(shù)的拱梁組合橋的橋面系以縱梁為主外，絕大多數(shù)沿襲了上承式鋼筋混凝土拱橋的梁式拱上建筑的構(gòu)造形式。它以橫梁為主結(jié)構(gòu)，將橫梁設(shè)置于立柱上或吊桿下，然后縱向鋪設(shè)橋面板（梁）。這種橋面系不參與總體受力，屬于局部受力傳力結(jié)構(gòu)，在中下承式拱橋中，由于橫梁之間縱向聯(lián)系很弱，因此其整體性較差，剛度也較小，橋面振動較為厲害。此外，這種缺乏整體性的下承橋面系，一旦吊桿破斷，將造成嚴(yán)重的后果。因此， 如何從結(jié)構(gòu)與構(gòu)造方面提高鋼管混凝土拱橋橋面系的整體性與剛度，是鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)體系中研 究中應(yīng)該引起重視的一個問題。另一方面，鋼管混凝土拱橋由于拱肋截面的輕型化，使得橋面系在恒載中所占的比例上升。橋面系的輕型化問題就顯得十分突出。鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土和鋼 — 混凝土組合結(jié)構(gòu)是鋼管混凝土拱橋中常用的橋面結(jié)構(gòu)形式。怎樣根據(jù)具體橋梁的橋?qū)?、橋梁結(jié)構(gòu)形式、施工方法，選擇合適的橫梁結(jié)構(gòu)，是橋面系結(jié)構(gòu)中要研究的另一個問題。此外，中下承式拱橋面系與拱肋相接處的構(gòu)造形式、伸縮縫的布置等等也都需要進(jìn)一步的研究 [14]。 在我國的鋼管混凝土拱橋中，吊桿和系桿均采用高強(qiáng)鋼絲或鋼鉸線，目前已發(fā)現(xiàn)一些橋梁的吊桿與系桿出 現(xiàn)生銹的現(xiàn)象甚至銹斷，這個問題已引起了橋梁工程界的高度重視。如何在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，開發(fā)出更適合于鋼管混凝土拱橋應(yīng)用的吊桿與系桿及錨固構(gòu)造與產(chǎn)品，也需要進(jìn)行研究。 設(shè)計(jì)理論及設(shè)計(jì)方法方面存在的主要問題 盡管我國在鋼管混凝土拱橋的應(yīng)用與研究方面取得了一些成果，但由于交通部目前還沒有鋼管混凝土拱橋相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范，設(shè)計(jì)與計(jì)算多沿用鋼筋混凝土拱橋的規(guī)范、同時參考鐵路鋼橋和建筑行業(yè)的有關(guān)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)程，因此在設(shè)計(jì)與計(jì)算中缺乏科學(xué)的理論體系、存在著一定的盲目性，導(dǎo)致設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果有些偏于不安全、有些則偏于不經(jīng)濟(jì)。 鋼管混凝土單圓管構(gòu)件已進(jìn)行了大量的研究，然而這些研究主要 以房屋建筑中的柱子為研究對象，針對鋼管混凝土拱橋的構(gòu)件研究還不多。由于鋼管混凝土拱橋施工時，首先架設(shè)鋼管拱肋，灌注管內(nèi)混凝土后再上后期的恒載，因此鋼管的初應(yīng)力問題比房建中的柱子要嚴(yán)重得多。鋼管的受力、初應(yīng)力對結(jié)構(gòu)受力的影響是一個有等研究的問題。還有鋼管與管內(nèi)混凝土的聯(lián)合作用問題，實(shí)際結(jié)構(gòu)中混凝土的脫空程度及對受力的影響，現(xiàn)在研究得也不多。 目前在鋼管混凝土拱肋的強(qiáng)度驗(yàn)算方面，多采用容許應(yīng)力法、將鋼管混凝土視為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在考慮了施工初應(yīng)力和收縮徐 變應(yīng)力后，拱腳處的鋼管應(yīng)力往往成為控制設(shè)計(jì)的因素，不僅沒有發(fā)揮鋼管與混凝土的組合作用，而且其組合效率連鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)都不如，因?yàn)殇摻罨炷敛捎玫氖菢O限狀態(tài)法驗(yàn)算極限承載力。即使有些設(shè)計(jì)者和研究者采用極限承載力進(jìn)行驗(yàn)算，但對于我國現(xiàn)有的三本有關(guān)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)程（中國工程建筑標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》（ CECS28： 90）；國家建筑材料工業(yè)局標(biāo)準(zhǔn)《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》（ JCJ0189）；電力部《鋼 混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》（ DL509997）），如何采用也沒有深入的研 究。三本規(guī)范由于理論依據(jù)不同，在許多方面的計(jì)算方法也不相同，計(jì)算結(jié)果也有一定偏差。在采用極限承載力進(jìn)行驗(yàn)算時，應(yīng)如何考慮初應(yīng)力的影響、混凝土收縮徐變的影響等等，也都有待研究。 單圓管僅用于跨徑不大的拱橋之中，大量的鋼管混凝土拱橋采用的是啞鈴形和桁式拱肋，然而，鋼管混凝土啞鈴形和桁式拱肋構(gòu)件的試驗(yàn)研究迄今未見文獻(xiàn)報道，其極限承載力計(jì)算方法是鋼管混凝土拱 橋強(qiáng)度驗(yàn)算的基礎(chǔ)。因此，十分有必要開展這方面的研究。 鋼管混凝土拱肋是由鋼管和管內(nèi)混凝土組成，設(shè)計(jì)計(jì)算時剛度如何取值對計(jì)算結(jié)果有相當(dāng)?shù)挠绊?。一般而言，剛度取值?，超靜定拱的計(jì)算內(nèi)力也大，因此，從內(nèi)力方面來說，剛度取值大是偏于安全的。而在穩(wěn)定計(jì)算和撓度計(jì)算時，剛度取值大，則穩(wěn)定系數(shù)大、撓度值小，因此，在計(jì)算結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和撓度時，剛度取值大則計(jì)算結(jié)果是偏于不安全的。另外，拱肋的剛度主要有抗壓剛度與抗彎剛度，二者對上述計(jì)算的影響也是不同的。目前，鋼管混凝土拱肋剛度取值問題尚未引起人們的注意，有關(guān)研究開展得很少，設(shè)計(jì)時多數(shù)是簡單的將鋼管與混凝土剛度進(jìn)行迭加，從已進(jìn)行的初步分析看，它對于內(nèi)力計(jì)算是偏于安全的，然而，對于穩(wěn)定和撓度計(jì)算則是偏于不安全的，而穩(wěn)定和撓度往往會成為大跨 度鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)的主要控制因素。目前已有一些橋梁的觀測發(fā)現(xiàn)，鋼管混凝土拱橋的實(shí)際撓度超過設(shè)計(jì)計(jì)算值。 鋼管混凝土拱橋一般為超靜定結(jié)構(gòu)，溫度變化會產(chǎn)生附加內(nèi)力。鋼管混凝土拱肋因其材料、截面構(gòu)成和施工方法等與其它拱橋不同，如何確定溫度變化值已開展了初步的研究 [6]，但還未到實(shí)用階段。除線性溫差內(nèi)力外，鋼管混凝土還存在著非線性溫差，它所產(chǎn)生的自應(yīng)力對結(jié)構(gòu)受力性能的影響也有特進(jìn)一步的研究。 除了溫度問題外，管內(nèi)混凝土的收縮徐變問題也是工程界所關(guān)心的問題。目前這方面的基礎(chǔ)理論與試驗(yàn)研究還不是很多，在實(shí)際工程中往往 采用普通混凝土的徐變模型或?qū)ζ鋮?shù)進(jìn)行一些修改 [17][19]。而且目前對管內(nèi)混凝土收縮徐變的研究的重點(diǎn)在于應(yīng)力方面，尤其是采 用容許應(yīng)力法時，鋼管的應(yīng)力在考慮徐變后的增加，導(dǎo)致許多設(shè)計(jì)中鋼管應(yīng)力成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制因素。然而，正如前面所述的，容許應(yīng)力法存在著偏保守的傾向。而另一方面，徐變引起結(jié)構(gòu)剛度的下降對結(jié)構(gòu)變形控制和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定控制的影響沒有引起工程界和研究人員的足夠重視。 在動力性能方面，鋼管混凝土拱肋本身由于具有較好的彈塑性性能、剛度較傳統(tǒng)的圬工拱橋和鋼筋混凝土拱橋小許多，因此現(xiàn)有的一些計(jì)算表明鋼管混凝 土拱橋的地震作用力一般要小于活載作用力。由于，國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助了《鋼管混凝土拱橋抗震性能研究》、國家基金資助了《鋼管混凝土拱橋抗震理論研究》 [20]，因此，在本次西部課題中不考慮將鋼管混凝土拱橋抗震理論作為重點(diǎn)進(jìn)行研究，而考慮在第一專題《鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)體系研究》中加以考慮。 施工及施工控制方面存在的主要問題 在鋼管混凝土拱橋的施工和施工控制方面，同樣既取得了可喜的成果，但也存在著一些問題。 在鋼管拱的纜索吊裝、轉(zhuǎn)體施工應(yīng)用研究方面已取得重大的突破， 如纜索吊裝中的千斤頂斜拉扣掛懸拼技術(shù)、將修建斜拉 橋、懸索橋的施工技術(shù)應(yīng)用于鋼管混凝土拱橋的施工之中，如大噸位水平轉(zhuǎn)體的成套技術(shù)、豎向轉(zhuǎn)體的液壓同步控制技術(shù)等 [7][9]。然而，這些技術(shù)往往設(shè)備投資大、技術(shù)要求高、施工工序復(fù)雜，因此，鋼管拱的架設(shè)技術(shù)還有許多有待進(jìn)一步完善與改進(jìn)的地方，如纜索吊裝施工中，如何優(yōu)化和減少扣索等，通過研究，使鋼管拱肋的架設(shè)施工能簡化施工工序、 降低設(shè)備投資，有利于其在西部地區(qū)的發(fā)展與應(yīng)用。 近年來大跨度鋼管混凝土拱橋在施工過程中都進(jìn)行了施工監(jiān)測監(jiān)控，對保證施工的安全和質(zhì)量起到了積極的作用。但由于施工監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)主要從斜拉橋施工引 入，因此在針對鋼管混凝土拱橋特點(diǎn)開展施工監(jiān)測監(jiān)控方面的研究才剛剛開始。 鋼管混凝土拱肋由鋼管與管內(nèi)混凝土組合而成，在管內(nèi)混凝土的材料性能、灌注工藝等方面也進(jìn)行了相當(dāng)多的技術(shù)研究。但對于如何保證鋼管與混凝土的緊密結(jié)合、減小鋼管與混凝土的脫空，高效科學(xué)的檢測方法與手段，應(yīng)用高性能混凝土等方面的研究開展得還不夠。 由于目前尚無鋼管混凝土拱橋?qū)ｉT的施工技術(shù)規(guī)范，許多鋼管混凝土拱橋施工時都編制了針對具體橋梁的施工技術(shù)規(guī)定。但對于施工容許誤差的規(guī)定研究較少，因此，所規(guī)定的容許誤差存在著不科學(xué)、不合理的內(nèi)容，有些指標(biāo)可能 過嚴(yán)、施工不易達(dá)到，而且對結(jié)構(gòu)受力與使用性能影響不大，增加了施工難度和費(fèi)用，而有些則可能太松，對結(jié)構(gòu)的使用和安全帶來不利的因素。 養(yǎng)護(hù)方面存在的主要問題 鋼管混凝土拱橋的出現(xiàn)才十余年的時間，但在使用與養(yǎng)護(hù)方面已出現(xiàn)了一些問題。如廣東佛陳大橋的系桿出現(xiàn)了銹斷，至使該橋在運(yùn)營 5 年后（ 1994—1999）就被迫關(guān)閉交通進(jìn)行系桿的更換，由于當(dāng)時設(shè)計(jì)考慮的是不可更換的系桿，因此，給系桿的更換帶來極大的困難，系桿更換工程造價高，中斷交通時間長，給投資者（收費(fèi)橋梁）和當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)帶來很大的影響 [22]。 重慶宜賓的小南 門橋（中承式鋼筋混凝土拱）的吊桿拉斷事故對大量鋼管混凝土中下承式拱橋中的吊桿安全敲起了警鐘 [23]，對一些鋼管混凝土拱橋的吊桿的調(diào)查也發(fā)現(xiàn)了生銹的現(xiàn)象等。鋼管混凝土拱橋早期設(shè)計(jì)的吊桿在防腐方面的考慮不足，且多為不可更換的吊桿，這樣給吊桿的養(yǎng)護(hù)與更換帶來了相當(dāng)?shù)睦щy。隨著時間的推移，這種問題會更多突出。為此， 2020 年 西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目專列有“ 拱橋吊桿健康診斷技術(shù)研究 ”的項(xiàng)目。 對于中下承式鋼管混凝土拱橋，在下承式橋面系與拱肋相交處的伸縮縫與小支座在使用中由于橋面系的整體性較差和振動較大而存在易于損壞和脫落 的毛病，這也是養(yǎng)護(hù)方面存在的問題。 鋼管混凝土拱橋鋼管外表面的防腐涂裝早期多為油漆，使用數(shù)年后需要補(bǔ)涂，有的甚至需要重新油漆。近年來，多采用金屬噴涂防腐，其防腐效果也有待時間的考驗(yàn)。還有近年來在一些鋼管混凝土拱橋中采用了鋼 —混凝土組合橋面系，如連霍國道主干線徐州京杭運(yùn)河大橋、湖南益陽市茅草街大橋等，其鋼梁也存在著防腐的問題。今后，已建成鋼管混凝土拱橋的防腐問題將會不斷地提到橋梁使用與管理部門面前。 橋梁使用狀態(tài)的健康診斷與長期監(jiān)測是當(dāng)前橋梁工程研究的一個熱點(diǎn)，已引起國內(nèi)外橋梁使用與管理部門的高度重視，我國在 這方面的研究與應(yīng)用正處于起步階段，目前在一些投資大、重要性突出的橋梁中已經(jīng)開始了這項(xiàng)應(yīng)用。如何針對我國西部的環(huán)境與經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)和鋼管混凝土拱橋的特點(diǎn)，探索出經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、方便、有效的鋼管混凝土 拱橋使用狀態(tài)的健康診斷與長期監(jiān)測，是一個岌待研究的課題。 總之，鋼管混凝土拱橋僅出現(xiàn)十余年的時間，現(xiàn)已暴露出一些養(yǎng)護(hù)方面的問題，隨著時間的推移，養(yǎng)護(hù)問題會越來越突出，目前在這一方面還缺乏經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)準(zhǔn)備，對鋼管混凝土拱橋的健康診斷與長期監(jiān)測監(jiān)控更是一個全新的課題。因此，認(rèn)真研究鋼管混凝土拱橋的養(yǎng)護(hù)問題，為今后已建鋼管混凝土拱橋 的養(yǎng)護(hù)和新建鋼管混凝土拱橋在設(shè)計(jì)時采取有效措施方便養(yǎng)護(hù)、減少養(yǎng)護(hù)工作量，是非常必要的。鋼管混凝土拱橋要在西部開發(fā)中發(fā)揮其優(yōu)勢，必須在養(yǎng)護(hù)問題上取得突破性的進(jìn)展 項(xiàng)目前期科研及現(xiàn)有工作條件 湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院是本項(xiàng)目的申報單位和主持單位。湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院是國內(nèi)較早開展鋼管混凝土拱橋應(yīng)用研究及設(shè)計(jì)的單位之一，已設(shè)計(jì)了湖南省資興市鯉魚江大橋（ 2 80m 中承式鋼管混凝土拱橋） 、邵陽市西湖橋（ 3 88m 下承式鋼管混凝土系桿拱橋） 、衡南縣湘江大橋（ 3 90m 中承式鋼管混凝土拱橋） 、益陽市資江三橋 （ 102m＋ 114m＋ 102m 中承式鋼管混凝土拱橋） 、長沙市黑石鋪湘江大橋（ 153m＋ 171m＋ 153m 中承式鋼管混凝土拱橋） 、 永順縣王村大橋（ 26m＋ 208m＋ 26m 中承式鋼管混凝土拱橋）、 益陽市茅草街大橋（ 80m＋ 368m＋ 80m 中承式鋼管混凝土系桿拱橋） 等多座鋼管混凝土拱橋，具有豐富的鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)與科研實(shí)力，目前 正主持湖南省交通廳“ 大跨度鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)與施工成套技術(shù)研究” 科研項(xiàng)目，該 項(xiàng)目以 益陽市茅草街大橋?yàn)橐劳泄こ蹋?主要研究內(nèi)容包括： 主拱施工工藝和施工控制模型試驗(yàn)研究 研究內(nèi)容包括：主 拱施工過程模擬、施工過程的主拱受力及穩(wěn)定性分析、成橋狀態(tài)靜動力試驗(yàn)與分析。 已完成的工作有：主拱肋模型加工制作完畢，邊拱及扣塔模型已施工完成。 高性能鋼管混凝土受力性能分析及模型試驗(yàn)研究 研究內(nèi)容包括：鋼管混凝