【正文】 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。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。即使有些設(shè)計者和研究者采用極限承載力進(jìn)行驗算，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)計與施工規(guī)程》（ JCJ0189）；電力部《鋼 混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》（ DL509997）），如何采用也沒有深入的研究。因此，十分有必要開展這方面的研究。另外，拱肋的剛度主要有抗壓剛度與抗彎剛度，二者對上述 14 計算的影響也是不同的。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]，但還未到實用階段。而且目前對管內(nèi)混凝土收縮徐變的研究的重點在于應(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)計中鋼管應(yīng)力成為結(jié)構(gòu)設(shè)計的控制因素。由于，國家重點實驗室資助了《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。 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。 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。 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。 17 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。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。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。 高性能鋼管混凝土受力性能分析及模型試驗研究 19 研究內(nèi)容包括：鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的受力特性、成橋狀態(tài)應(yīng)力應(yīng)變測試、正常使用極限狀態(tài)下應(yīng)力應(yīng)變測試、鋼管混凝土結(jié)構(gòu)超載特性研究。 已完成的工作有：施工及成橋階段應(yīng)力驗算、收縮徐變影響計算、局部構(gòu)件強(qiáng)度及穩(wěn)定計算、施工預(yù)拱度計算、成橋自振特性計算、施工及成橋階段第一類穩(wěn)定計算、成橋階段第二類穩(wěn)定計算、兩個概率水平的反應(yīng)譜分析。 福州大學(xué)為本項目的主要參加單位之一。目前承擔(dān)的國家自然科學(xué)基金《鋼管混凝土拱橋抗震理論研究》進(jìn)展順利，成果正在陸續(xù)發(fā)表之中。福州大學(xué)已進(jìn)行了大量鋼管混凝土拱橋與鋼管混凝土構(gòu)件的試驗，積累了豐富的試驗研究經(jīng)驗。 22 項目實施方案 擬解決的 關(guān)鍵技術(shù)問題 本項目四個研究專題，涉及設(shè)計、施工、施工控制及養(yǎng)護(hù)等方面，下面給出本項目研究的關(guān)鍵技術(shù)： （ 1）管結(jié)點及接頭設(shè)計構(gòu)造準(zhǔn)則； （ 2）鋼管混凝土拱橋的材料非線性模型與雙重非線性有限元分析程序； （ 3）鋼管混凝土拱橋極限承載力實用算法； （ 4）鋼管混凝土拱橋的變形計算與控制； （ 5）鋼管混凝土拱橋溫度、收縮徐變問題； （ 6）鋼管混凝土防脫空技術(shù)； （ 7）鋼管混凝土拱橋合理的施工容許誤差； （ 8）鋼管混凝土拱橋施工控制技術(shù)； （ 9） 鋼管混凝土拱 橋養(yǎng)護(hù)技術(shù)； （ 10）鋼管混凝土拱橋健康診斷和監(jiān)測系統(tǒng)。 以結(jié)構(gòu)的極限承載力作為設(shè)計理論研究的核心，提出建立在試驗與大型通用程序驗證基礎(chǔ)上的、能較好地反映結(jié)構(gòu)受力實際情況的、考慮材料非線性 與幾何非線性的鋼管混凝土拱的有限元計算方法，編制相應(yīng)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的專用分析程序。 將現(xiàn)代的控制理論應(yīng)用于鋼管混凝土拱橋的施工控制之中。三種形式的適用條件、對拱腳水平推力的處理也均不相同。拱梁組合結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于中小跨徑之中，主要原因是跨徑增大以后，它的施工架設(shè)較為困難。中承式也有采用剛架系桿拱的，主要是帶懸臂的三跨式，又稱飛鳥式或飛燕式，也有稱自平衡或自錨式的。 不同的車承形式與有無推力的不同結(jié)構(gòu)體系之間的靜力受力特點與抗震性能、結(jié)構(gòu)特點及適用范圍，由于拱肋采用了鋼管混凝土后與鋼筋混凝土拱產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)與受力及適用范圍方面的變化都是本研究的內(nèi)容。 鋼管混凝土拱肋的截面形式主要有單圓管、啞鈴形和桁式，各種截面形式在 受力性能、構(gòu)造、施工和使用方面均有不同，在跨徑適用方面也不同。在灌注混凝土過程中，腹板受混凝土壓力的作用容易外鼓，所以需有拉桿對拉或采用其它措施，這使得構(gòu)造較為復(fù)雜。另一方面，拱在地震波作用下橫向動力失穩(wěn)是其最有可能的破壞形式，而加強(qiáng)橫撐在提高組拼拱橫向彈性一類穩(wěn)定的同時，也加大了拱在橫向地震波的作用力，對于拱的抗震產(chǎn)生不利的影 響，因此如何合理布置橫撐使得拱的靜力穩(wěn)定與動力穩(wěn)定效果最佳，也是一個非常值得研究的問題。鋼管混凝土拱橋中常用的橋面系結(jié)構(gòu)按材料可分為鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土和鋼 — 混凝土組合結(jié)構(gòu)，這幾種型式的結(jié)構(gòu)特點、適用范圍與經(jīng)濟(jì)性是本研究的一個內(nèi)容。然而這種結(jié)構(gòu)形式在以混凝土結(jié)構(gòu)為主的橋面系中的應(yīng)用較為困難。 專題二：鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計理論及設(shè)計方法的研究，下設(shè)三個子題，分別為： 鋼管混凝土拱橋 極限承載力 的研究 研究內(nèi)容主要包括 鋼管混凝土構(gòu)件的試驗研究與極限承載力實用算法研究、鋼管混凝土拱橋 面內(nèi)與面外強(qiáng)度與穩(wěn)定極限承載力 研究、幾何非線性與材料非線性影響、鋼管初應(yīng)力對 極限承載力影響的研究 。 鋼管混凝土拱的拱肋主結(jié)構(gòu)由于強(qiáng)度較高，因此在極限承載力研究時必須考慮材料非線性與幾何非線性問題。研究表明 ，鋼管混凝土拱橋的極限承載力受材料與幾何雙重非線性的影響，其中材料非線性影響更大。然而，目前對鋼管混凝土拱橋考慮雙重非線性的極限承載力的研究尚不系統(tǒng)與深入，對 于啞鈴形拱肋、桁式拱肋等極限承載力的研究進(jìn)行的還很少，試驗研究尚未開展，因此在鋼管混凝土拱橋極限承載力研究方面距形成較為成熟的設(shè)計理論還有相當(dāng)?shù)牟罹?。除了在?gòu)件研究中注意鋼管初應(yīng)力問題外，還將研究鋼管內(nèi)的初應(yīng)力對拱肋結(jié)構(gòu)的局部受力、整體強(qiáng)度、穩(wěn)定和變形的影響。除內(nèi)力計算外，拱的穩(wěn)定與撓度計算也與拱肋剛度取值有很大的影響，剛度取值大，則穩(wěn)定系數(shù)大、撓度值小，因此，在計算結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和撓度時，剛度取值大則計算結(jié)果是偏于不安全的。 31 鋼管混凝土拱橋使用極限狀態(tài)問題是本子課題中要研究的另一問題，它包括使用狀態(tài)下的應(yīng)力值控制和變形控制。鋼管混凝土拱橋的變形計算的關(guān)鍵是結(jié)構(gòu)的剛度取值?！?JTJ 02586》對鋼筋混凝土拱橋的變形控制條件是 L/800。此外，對于剛架系桿拱橋墩頂水平位移的控制要求也未見研究報道。 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，溫度變化值采用傳統(tǒng)拱橋的方法并不合適。萬縣長江大橋主要是對外包混凝土的徐變問題進(jìn)行了模型試驗和有限元分析，結(jié)果表明，受徐變的影響鋼管骨架的應(yīng)力增加，而外包混凝土的應(yīng)變增加、應(yīng)力下降。目前 33 設(shè)計中往往采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的徐變計算方法，顯然存在著不合理之處。然而，收縮如同溫度變化一樣會在超靜定拱中產(chǎn)生附加內(nèi)力。 專題三：鋼管混凝土拱橋施工及施工控制技術(shù)的研究，下設(shè)四個子題，分別為： 鋼管拱肋加工制作技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研究 鋼管拱肋在鋼管混凝土拱橋施工與成橋后的受力中起著極其重要的作用，鋼管拱肋加工的質(zhì)量直接影響到鋼管混凝土拱橋的質(zhì)量。 每座已建或在建的鋼管混凝土拱橋，其主拱肋制作都各自對應(yīng)有一個制作驗收技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，不同橋之間有些指標(biāo)各不相同。 2）纜索和扣索系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式、邊界條件、扣索的錨固方式。有時還受到地形條件的限制，尤其是西部地區(qū)，高等級公路大多跨越峽谷深溝，因此本項目擬對吊架和扣架合二為一、作整體性結(jié)構(gòu)設(shè)計、實現(xiàn)吊架扣架一體化施工技術(shù)進(jìn)行研究。在結(jié)構(gòu)分析方面，通過熱傳導(dǎo)計算確定管內(nèi)混凝土在急劇升溫和降溫情況下主拱肋的變形和應(yīng)力分布情況。 4）主拱肋內(nèi)混凝土檢測技術(shù)研究 鋼管內(nèi)混凝土受材料及 工藝措施的影響，常出現(xiàn)某些缺陷，如脫粘、空洞等，這些都將影響鋼管混凝土拱橋的質(zhì)量與受力。 1）施工控制精度及誤差評估方法研究 綜合國內(nèi)已建成的鋼管混凝土拱橋的施工控制工作，并以《公路 37 工程質(zhì)量檢 驗評定標(biāo)準(zhǔn)》和《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》中有關(guān)鋼管混凝土拱橋的內(nèi)容為基準(zhǔn)，對施工控制精度及允許誤差進(jìn)行研究。在鋼管混凝土拱橋施工中，其主要誤差如材料特性、構(gòu)件自重、剛度和制作誤差均為固定誤差，它們既可以預(yù)測也可以修正，因此采用參數(shù)識別的方法來消除設(shè)計值與結(jié)構(gòu)實際值的不一致是非常必要的。因此施工控制主要包括理論計算和現(xiàn)場監(jiān)控，理論計算根據(jù)設(shè)計施工圖和施工方案對每一施工過程進(jìn)行詳細(xì)的理論計算，求得各施工控制參數(shù)的理論值。 ②施工控制理論計算 本項目擬考慮鋼管混凝土拱橋拱肋內(nèi)混凝土的不對稱及扣索調(diào)整的不對稱等特點，在長沙交通學(xué)院開發(fā)的施工控制軟件基礎(chǔ)上繼續(xù)開發(fā)，以期解決鋼管混凝土施工過程計算中存在的以下問題： 基于現(xiàn)場測試和參數(shù)識別的溫度場模擬?；诂F(xiàn)場測試和參數(shù)識別的溫度場模擬。實現(xiàn)鋼管混凝土拱橋每個施工階段對應(yīng)其實際應(yīng)力分布的穩(wěn)定性分析。鋼管混凝土構(gòu)件有限元計算模型的研究： 鋼管與混凝土的的共同工作通常有兩種方法，一種是采用全斷面的桿單元，空鋼管吊裝到管內(nèi)混凝土達(dá)到強(qiáng)度前為鋼管單元，其后將鋼管混凝土作為一個單元，根據(jù)剛度分配內(nèi)力，從而得到鋼管與混凝土的應(yīng)力。主拱肋工廠線型的確定。 40 在“ 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析 與評價”中曾指出， 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。避免重慶綦江彩虹橋及宜賓金沙江小南門橋等吊桿突然破壞這樣的災(zāi)難性事故的發(fā)生。 通過對現(xiàn)有鋼管混凝土現(xiàn)狀的調(diào)查與鋼管混凝土拱橋與其它類型拱橋的異同點的分析，針對不同結(jié) 構(gòu)形式、不同跨徑的鋼管混凝土拱橋的特點，研究 鋼管混凝土拱橋 各關(guān)鍵部位考慮養(yǎng)護(hù)的合理的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，制定出與其相適應(yīng)以養(yǎng)護(hù)通道為主的養(yǎng)護(hù)設(shè)施設(shè)置要求和技術(shù)指 41 標(biāo)，為鋼管混凝土拱橋的設(shè)計規(guī)范制定與修訂提供基礎(chǔ)資料與技術(shù)支撐。 對于運(yùn)營中的橋梁進(jìn)行健康 診斷是當(dāng)今世界橋梁工程中研究的熱點問題，它對于提高橋梁的使用壽命與使用效率、降低養(yǎng)護(hù)維修費用具有重要的意義。本研究則重點針對鋼管混凝土拱橋的受力特點進(jìn)行其監(jiān) 測系統(tǒng)的設(shè)計，并充分利用施工監(jiān)測監(jiān)控和成橋靜動載試驗中所埋設(shè)的傳感器，以求以較少的投資達(dá)到較佳的效果。下面綜合歸納了 10 個具體工作： （ 1） 鋼管混凝土拱橋設(shè)計計算分析專用軟件的研制； （ 2） 鋼管混凝土拱橋施工控制專用軟件的 研制； （ 3） 室內(nèi)模型試驗； （ 4） 收集現(xiàn)有資料、分析整理提出合理構(gòu)造形式； 43 （ 5） 計算分析、構(gòu)造研究及資料整理； （ 6）依托工程設(shè)計； （ 7）依托工程施工； （ 8）依托工程試驗； （ 9）編寫鋼管混凝土拱橋設(shè)計指南、施工指南及養(yǎng)護(hù)維修指南； （ 10）撰寫專題研究報告； 上述 10 項工作可劃分為四個階段：（ 1）研究階段；（ 2）依托工程實施階段；（ 3）總結(jié)階段；（ 4）鑒定階段。 45 本項目實施后，后續(xù)技術(shù)改造項目或基本建設(shè)項目可依據(jù)本項目提 出的 鋼管混凝土拱橋設(shè)計、施工及養(yǎng)護(hù)關(guān)鍵技術(shù) 來指導(dǎo)公路橋梁工程師們進(jìn)行更加科學(xué)、合理的 鋼管混凝土拱橋 設(shè)計、施工等，并為 鋼管混凝土拱橋 設(shè)計、施工等規(guī)范的制定提供參考，并充實橋梁有關(guān)技術(shù)規(guī)范的內(nèi)容。具有 建設(shè)部授予的工程勘察綜合、公路行業(yè)（含特大橋、特大隧道和交通工程）、水運(yùn)行業(yè)（含港口、航道、通航建筑等工程）及市政公用行業(yè)（含道路和公共交通）等四大類甲級資質(zhì)及建筑工程乙級設(shè)計資質(zhì)。擁有先進(jìn)成套的測量、試驗檢測、計算機(jī)、監(jiān)理測試等設(shè)備 20xx 多臺套，各類科技圖書近 7000種，建立了全院的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。 1978 年以來獲得國家、部省級優(yōu)秀工程勘察設(shè)計、 47 咨詢、科 技進(jìn)步獎 100余項，其中國家金獎（一等獎） 10項。 2． 項目 參加單位概況 項目參加單位 1：交通部公路科學(xué)研究所 單位概況：交通部公路科學(xué)研究所成立于 1956 年，是我國公 路交通領(lǐng)域綜合性的技術(shù)研究開發(fā)基地。目前，全所有工程院士 1 名，博士生導(dǎo)師 4 名，博士 10 名，碩士 62 名，享受政府特殊津貼的科技人員 21 名，有突出貢獻(xiàn)的中青年專家 5 名，交通科技英才 4 名。公路所近幾年來加速科技成果轉(zhuǎn)化 ，發(fā)展高科技技術(shù)產(chǎn)業(yè)，獲取市場優(yōu)勢，逐步建立了現(xiàn)代科技院所的機(jī)制，已成為我國公路交通領(lǐng)域的科技開發(fā)基礎(chǔ)、成果轉(zhuǎn)化基地和人才培養(yǎng)基地，先后開發(fā)橋梁檢測用的鋼筋保護(hù)層測定儀，鋼 筋銹蝕儀等專用設(shè)備及橋梁運(yùn)營管理養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)，主持完成了《公路工程質(zhì)量檢測評定標(biāo)準(zhǔn)》的編制及修訂工作。在 1200多名專任教師、專職科研人員中有正、副教授 500 多名，其中院士 2名，博士生導(dǎo)師 41 名，國家級專家 9 名，省有突出貢獻(xiàn)專家和優(yōu)秀專家 20 名，享受政府特殊津貼專家 105