【正文】 鋼管混凝土單圓管拱的受力全過程試驗研究與雙重非線性有限元計算方法研 究方面已取得了一定的成果。因此，如果考慮了雙重非線性問題，則所得結(jié)構(gòu)的極限承載力一般來說均小于對應極限強度的荷載和對應于彈性一類穩(wěn)定的荷載，換言之，考慮了雙重非線性問題后就同時考慮了強度與穩(wěn)定問題。 值得指出的是，鋼管混凝土拱橋?qū)儆谧约茉O體系，鋼管拱肋先安裝，然后灌注管內(nèi)混凝土，在混凝土形成強度之前的結(jié)構(gòu)自重均由鋼管承擔，因此在鋼管內(nèi)形成了相當大的初應力。鋼管混凝土拱橋一般為超靜定結(jié)構(gòu)，剛度取值會影響結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，剛度越大，計算內(nèi)力也越大，因此，從內(nèi)力方面來說，剛度取值大是偏于安全的。剛度取值受到管內(nèi)混凝土收縮徐變方面的影響問題將在下一個二級子課題中研究。 變形計算與驗算是結(jié) 構(gòu)使用極限狀態(tài)中的重要內(nèi)容之一?！?JTJ 02285》對圬工拱橋的變形控制條件是按規(guī)定的汽車荷載（不計沖擊力）計算的拱橋上部結(jié)構(gòu)在一個橋跨范圍內(nèi)的計算撓度最大絕對值之和不大于L/1000。 鋼管混凝土拱橋由于承載能力較大，特別是大跨度的橋，變形控制條件是否應比鋼筋混凝土拱橋的 L/800 更寬些，以充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)的承載能力，尚缺乏研究。 對于超靜定的鋼管混凝土拱橋，除了恒載和車輛、人群等活載之外，溫度變化、混凝土收縮徐變引起的結(jié)構(gòu)變形和支座的位移也會產(chǎn)生內(nèi)力 。 鋼管混凝土拱橋管內(nèi)混凝土的徐變問題研究難度較大，迄今為止的研究 也十分有限。 已有的對鋼管混凝土構(gòu)件的徐變研究表明，由于管內(nèi)混凝土密閉于鋼管中，沒有水分的流失，其徐變特性應不同于普通干燥的混凝土，徐變早期發(fā)展量要小于普通混凝 土，但持續(xù)發(fā)展時間可能較長。對于極限承載能力來說，混凝土的收縮影響不大。與此同時，本研究以極限承載力計算理論為基礎(chǔ)，因此在收縮徐變問題研究中，將改變過去采用容許應力法理論時只注重徐變引起的應力重分布問題，而不注視徐變對結(jié)構(gòu)剛度的影響進而導致對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定極限承載力與變形影響的趨勢，將更多的注意集中到收縮徐變對結(jié)構(gòu)剛 度影響方面的研究。 對鋼管拱肋制作過程中存在的主要問題進行研究，包括： 1）減小弦管火工彎制過程對弦管橢圓度影響的措施； 2）加工過程中弦管線型局部超標處理方法研究； 3）腹桿相貫線切割口的構(gòu)造研究等。因此，在現(xiàn)有的鋼管拱肋架設技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對西部地區(qū)的主要特點和鋼管混凝土拱橋的特點，這一子課題的主要研究內(nèi)容包括： 1）大跨徑鋼管混凝土拱橋主拱肋架設技術(shù)與方法的研究擬在無支架纜索吊裝和轉(zhuǎn)體施工兩種方法的基礎(chǔ)上，根據(jù)依托工程橋址的地形條件、通航要求，研究或改進現(xiàn)有的施工方法。 纜索系統(tǒng)和扣索系統(tǒng)獨立工作，受力明確，但增加了設備的投入和工程量，加大了工程造價，延長了施工周期。 2）鋼管 混凝土 的防脫空技術(shù)研究 采用材料性能研究與結(jié)構(gòu)分析相結(jié)合的技術(shù)路線，進行鋼管混凝土構(gòu)件的足尺節(jié)段模型試驗，通過系統(tǒng)的試驗選擇鋼管混凝土膨脹劑的用量，在高強混凝土中引入自養(yǎng)護體系，并對高性能混凝土的收縮變形特性進行 研究。 混凝土灌注的施工工藝研究的技術(shù)路線為對現(xiàn)有施工工藝進行完善，對不同拱肋截面的混凝 土灌注方法進行系統(tǒng)研究，以保證混凝土的質(zhì)量和拱肋鋼管的安全。 施工控制技術(shù)的研究 研究內(nèi)容主要包括 施工控制精度及誤差評估方法研究、施工控制誤差特性與參數(shù)識別方法研究及施工控制 方法研究。上述參數(shù)在施工中一般存在有誤差，這些誤差按性質(zhì)可分為固定誤差和變動誤差兩類。如出現(xiàn)異常則需要調(diào)整施工程序，同時對變化的施工程序進行理論計算，根據(jù)其變形、應力和穩(wěn)定情況說明施工程序的可行性。在穩(wěn)定性滿足要求的前提下，對變形、應力進行雙控，其中以變形控制為主，同時兼顧應力控制。 專題四：鋼管混凝土拱橋養(yǎng)護技術(shù)研究，下設三個子題，分別為： 既有鋼管混凝土拱橋的現(xiàn)狀調(diào)查及養(yǎng)護維修改造 技術(shù)的研究 研究內(nèi)容主要包括 既有鋼管混凝土拱橋的養(yǎng)護需求分析及養(yǎng)護維修方法的研究 。 在對現(xiàn)狀調(diào)查的基礎(chǔ)上，有針對性的研究養(yǎng)護維修辦法，如拱肋鋼構(gòu)件損傷 及病害的維修養(yǎng)護技術(shù)（如防護體系損傷及病害處治、構(gòu)件節(jié)點及銜接部位損傷及病害處治措施），吊桿、系桿體系的養(yǎng)護、維修、更換措施及替代技術(shù)。 新建鋼管混凝土拱橋養(yǎng)護技術(shù)的研究 研究內(nèi)容主要包括新建鋼管混凝土拱橋 各關(guān)鍵部位考慮養(yǎng)護的 合理的結(jié)構(gòu)構(gòu)造及養(yǎng)護設施。 研 究內(nèi)容主要包括鋼管混凝土拱橋的健康診斷技術(shù)、大跨度鋼管混凝土拱橋的監(jiān)測系統(tǒng)的研究與開發(fā)。 對于特大跨 度與特大型的鋼管混凝土拱橋，有些在建橋時就應該 考慮橋梁的監(jiān)測系統(tǒng)。 工作方案和組織措施 本項目研究專題較多，專題研究內(nèi)容之間又相互有聯(lián)系，因此從研究內(nèi)容中歸納出要做的具體工作很有 必要。 與后續(xù)技術(shù)改造或基建計劃的銜接、基建或改造計劃的落實情況 西部高等級公路建設起步不久，國道主干線高等級公路網(wǎng)在 2020年才初步形成，在今后十多年內(nèi)，有大量的橋梁要修建，由于本項目是鋼管混凝土拱橋修建必須解決的關(guān)鍵技術(shù)之一，因此和國家基本建設計劃的銜接是緊密的，后續(xù)公路橋梁建設和技術(shù)改造新任務、新工作還很多。 項目承擔單位及參加單位概況 項目 承擔單位及參加單位概況 1．項目 承擔 單位 概況 項目 承擔 單位：湖南省交通規(guī)劃勘察設計院 單位概況：湖南省交通規(guī)劃勘察設計院創(chuàng)建于 1960 年，主要從 事公路、橋隧、港航、建筑、巖土等專業(yè)的勘察設計、咨詢和施工監(jiān)理以及試驗檢測、儀器檢測和銷售等科技咨詢服務業(yè)務?，F(xiàn)有職工 495人，專業(yè)技術(shù)人員約占全院 職工總數(shù)的 75%，其中包括：享受國務院政府特殊津貼、交通部科技英才 10 人，博士、碩士 30 余人，中、高 級技術(shù)職稱 250 人。至“九五” 期末已累計完成勘察設計等級公路 8500 公里，其中高速公路 2000 余公里，獨立大橋 139807 延米 /286 座，公路長大隧道 15411 米 /12 座，高速公路監(jiān)理 210km，大橋監(jiān)理 10000 延米，業(yè)務遍及國內(nèi) 14 個省（區(qū)）及 9 個亞非國家。 該院承諾：將為本課題提供充足的人、財、物等各方面的支持。經(jīng)過 46 年的發(fā)展，現(xiàn)有職工 470 人，其中技術(shù)人員 360 人；具有道路、橋梁、交通 工程三個專業(yè)碩士學位授予資格，與東南大學聯(lián)合具有交通運輸工程一級學科博士生培養(yǎng)資格，并建 立了博士后工作站。在西部交通科技項目中，公路所在道路、橋梁、巖土等方面承擔多項任務。 1988 年科技體制改革后，公路所面向經(jīng)濟建設主戰(zhàn)場，承擔了勘察設計、工程檢測、施工監(jiān)理等項目共 760 余項，獲部、省級獎9 項。經(jīng)過科技體制改革，成為交通部公路交通領(lǐng)域唯一的部直屬科研院所。 在“以人為本、科技興院”的方針下，近五年來，該院在科研方面已投入近 2000 萬元，并已取得初步成效。 2000 年通過 ISO9001 質(zhì)量體系認證。還具有其他國家行業(yè)主管部門授予的包括工程咨詢、科技咨詢和試驗檢測等在內(nèi)的甲級資質(zhì) 7 種和乙級資質(zhì) 2 種，是交通行業(yè)知名勘察設計單位之一。 技術(shù)經(jīng)濟指標 本項目技術(shù)經(jīng)濟指標如下： 1．本項目 中“鋼管”專指圓鋼管； 2．“鋼管混凝土拱橋”指在鋼管內(nèi)灌注混凝土作為拱肋，兩種材料共同參與受力的結(jié)構(gòu)； 3．室內(nèi)模型試驗； 4．符合上述 3 條件的兩座依托工程； 5．鋼管混凝土拱橋設計計算分析專用程序： ① 程序清單； ② 驗證報告； ③ 用戶證明。在研究階段完成設計計算分析專用軟件及 施工控制專用軟件的研制、專題計算分析、對現(xiàn)有資料分析整理及構(gòu)造研究和室內(nèi)模型試驗，得出預期成果；第二階段完成依托工程設計、施工和試驗，并將第一階段研究成果用于依托工程；第三階段撰寫專題研究報告和設計、施工及養(yǎng)護維修指南；最后階段項目鑒定。 技術(shù)路線 本項目采用理論分析、室內(nèi)模型試驗和依托工程驗證的技術(shù)路線。對于大量使用的中小跨徑與中小規(guī)模的鋼管混凝土拱橋，如何通過定時的、簡單的測試，判斷其健康狀況是本子課題的研究重點。同時結(jié)合子題 1 的相關(guān)內(nèi)容，針對中、下承式鋼管混凝土拱橋的關(guān)鍵部件之一（吊桿或系桿），研究確定其養(yǎng)護周期及維修措施的判別細則及實施方法。 研究成果報告可為制定或修訂公路養(yǎng)護規(guī)范中鋼管混凝土拱橋等相關(guān)章節(jié)提供基礎(chǔ)資料和技術(shù)支撐。本研究擬 通過已建成的鋼管混凝土拱橋若干典型橋例的重點調(diào)查和一些橋例的一般性調(diào)查，對鋼管混凝土拱橋的現(xiàn)狀特征進行分類統(tǒng)計，分析制約養(yǎng)護的因素及其養(yǎng)護需求。 另一種方法是將鋼管和混凝土各作為一個單元，考慮兩者完全粘結(jié)，直接求出各自的內(nèi)力與應力。 扣索索力的確定和優(yōu)化：將斜拉橋斜拉索調(diào)索的正裝迭代理論等方法用于鋼管混凝土拱橋扣索索力的確定和優(yōu)化?，F(xiàn)場監(jiān)控針對施工過程的各種因素所引起的理論計算值與實測值不一致的問題，采取措施在施工中加以控制和調(diào)整。 在鋼管混凝土拱橋的施工過程中影響因素較多，采樣的空間也很 大，本項目擬分別采用灰色控制理論和最小二乘法參數(shù)識別理論開發(fā)軟件來進行參數(shù)識 別，通過對兩種理論的對比，得到更接近實際的參數(shù)，用估計的參數(shù)平均值代替設計理論參數(shù)。 除了軸線橫向偏位、拱肋接縫錯臺、拱圈高程以及吊桿吊點高程外，其余控制精度及允許誤差無規(guī)范或標準可循，因此本課題的任務之一是通過對依托工程的施工過程進行控制，制定一個統(tǒng)一施工控制精度及誤差評估標準。目前對鋼管內(nèi)混凝土的檢驗沒有很好的方法。 3）高性能混凝土施工工藝研究 目前鋼管混凝土拱橋拱肋混凝土灌注工藝流程為 :開設排漿口→焊接進料支管→布設輸送泵管→人工澆筑進料支管以下區(qū)段混凝土→壓注清水濕潤輸送泵管→泵送高標號砂漿→泵送混凝土→插防回流柵→清洗泵管完成泵送。 管內(nèi)高性能混凝土的研究 研究內(nèi)容主要包括 高性能鋼管混凝土材料研究、鋼 管混凝土防脫空技術(shù)研究、高性能鋼管混凝土施工工藝研究及鋼管內(nèi)混凝土檢測技術(shù)研究。 吊塔和扣塔的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，扣掛系統(tǒng)中扣索的錨固方式研究，針對不同的橋型和地形，選擇科學可行和經(jīng)濟合理的錨固形式。本項目旨在制定一個統(tǒng)一的鋼管混凝土拱橋主拱肋鋼結(jié)構(gòu)制作驗收技術(shù)標準，包括如下內(nèi)容： 1）拱肋鋼結(jié)構(gòu)材料的控制； 2）焊接控制； 3）鋼管成品質(zhì)量控制； 4）鋼管拱肋質(zhì)量控制。然而由于我國過去鋼橋修建較少，目前的施工企業(yè)主要以土建為主的企業(yè)，因此，目前在鋼管混凝土拱橋施工中一般鋼管拱肋加工要求請專業(yè)的鋼結(jié)構(gòu)加工廠家加工，尤其是具有較高焊接技術(shù)的壓力容器廠、化學容器廠以及船廠等。因此，管內(nèi)混凝土沿軸線方向的收縮量多大，需進一步的研究。 與徐變密切相關(guān)的混凝土收縮也缺乏深入的研究，管內(nèi)混凝土的收縮與普通鋼筋混凝土中的混凝土收縮行為也有一定的差異。正在開展的湖南茅草 街大橋的鋼管混凝土桁肋節(jié)段模型試驗也表明長期荷載作用下，管內(nèi)混凝土的徐變將使鋼管應力增加，而混凝土的應力下降。目前已對鋼管混凝土拱橋溫度問題進行了初步的研究，但由于受地域和橋例研究數(shù)量的限制，溫度荷載和溫度效應實用算法的研究還有待深入。這些都是本研究的重點。用掛車或履帶車驗算時，上述撓度可增加 20%。短期荷載作用下的剛度取值問題前已述及，長期荷載作用下的剛度取值問題將在下一子課題研究中考慮。 目前由于大部分鋼管混凝土拱橋的設計計算中采用了容許應力法，所以對使用階段的容許應力問題沒有開展研究。還有，拱肋的剛度包含抗壓剛度與抗彎剛度，二者對不同問題的影響也是不同的。 鋼管混凝土拱橋正常使用極限狀態(tài)受力的研究 研究內(nèi)容主要包括 鋼管混凝土拱橋 剛度計算取值的研究、應力及變形控制 的研究 。本研究將在已有鋼管混凝土單圓管拱橋的極限承載力的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合啞鈴形構(gòu)件和桁式構(gòu)件的強度計算研究，探討鋼管混凝土拱橋的雙重非線性分析方法和極限承載力計算方法，為今后鋼管混凝土拱橋設計計算中采用極限狀態(tài)法計算理論打下基礎(chǔ)。從結(jié)構(gòu)力學可知，當雙重非線性中不考慮幾何非線性問題時而僅考慮材料非線性時，它就轉(zhuǎn)化為強度問題。而目前在設計計算中，一般強度驗算方面采用了應力疊加法計算荷載效應，用容許應力法進行結(jié)構(gòu)效應驗算，而穩(wěn)定計算時則考慮彈性一類穩(wěn)定。 鋼管混凝土單圓管構(gòu)件已進行了大量的研究，然而啞鈴形構(gòu)件的受力迄今未進行過試驗研究、對桁式拱肋的構(gòu)件研究在國內(nèi)也未展開。如何在鋼筋混凝土與預應力混凝土橋面系結(jié)構(gòu)中加強其整體剛度與整體性；對于鋼 混凝土組合結(jié)構(gòu)，以橫梁為主的結(jié)構(gòu)與格構(gòu)式橋面系的優(yōu)缺點與適用范圍等也是本研究要考慮的內(nèi)容。 中下承式在鋼管混凝土拱橋中應用較多，其下承部分橋面系基本上采用以橫梁為主的結(jié)構(gòu)型式。 因此，本研究將對啞鈴形和桁式鋼管混凝土拱肋截面的受力行為和極限承載力開展試驗與理論研究，給出啞鈴形和桁式短柱極限承載力的實用算法；探討啞鈴形截面的合理構(gòu)造形式；在國內(nèi)外管結(jié)構(gòu)結(jié)點研究（主要是海上石油平臺結(jié)構(gòu)）的基礎(chǔ)上，針對鋼管混凝土拱橋的特點，對桁式拱肋的管結(jié)點進行疲勞試驗和理