山区桥梁植入新结构——高原山区钢管混凝土桁梁桥快速建造核心技术

四川西部高原山区，由地形、地震、地质和气候等诸多不利环境因素组合，形成了十分复杂的工程建设环境。复杂环境条件导致的中等跨径高墩桥梁数量特别多，占比路线总里程40%，占桥梁总长90%。实践表明，这类桥梁抗灾能力差、材料消耗高、施工难度大、建设周期长，难以适应高原山区有效施工时间短的环境要求。基于钢管混凝土具备自重轻、强度高、无模板、架设方便、施工场地要求低等优势，满足快速建造要求，提出采用钢管混凝土材料建造钢管混凝土桁梁桥解决面临的复杂建设难题，经过系统性研究，形成高原山区钢管混凝土桁梁桥快速建造核心技术。

中等跨径梁桥，采用钢筋混凝土构件时，材料脆性破坏危害严重，结构自重大、地震响应高，结构体系抗震稳定性差，材料、结构、体系三个维度均表明，该类材料建成的桥梁，很难满足复杂条件下复合使用性能要求。根据统计，钢筋混凝土梁桥，混凝土材料用量约30000m3/km，国内砂、石资源日益枯竭，过渡开采将严重影响生态环境。此类梁桥施工模板用量多，模板运输、堆放、拆卸等需要占用场地和较长周期，施工效率难以提升。

常规中等跨径钢结构梁桥，虽抗震性能好，但其钢材消耗量多、造价高；山区交通运输通道狭窄，预制的钢结构大节段运输困难，现场亦没有大型组拼场地。此类梁桥施工现场连接工作量大，质量控制环节多，正交异性桥面板的抗疲劳能力低、桥面铺装抗耐久性能差，对山区数量多但规模小的工程，质量控制难度更大，社会无法承受经常中断交通维修桥梁的现实，对桥梁通车运营造成的影响会更加敏感。

针对复杂的建设条件，结合钢管混凝土具备自重轻、强度高、无模板、架设方便、施工场地要求低等优势，提出了采用钢管混凝土材料，建造钢管混凝土桁梁桥，并实现快速建造目标，解决面临的复杂建设条件导致的系列难题。

将钢管混凝土材料首次应用在中等跨径梁式桥梁中，组成新的结构体系，在复杂建设条件下首次实施，面临诸多新的技术难题。

第一，钢管混凝土材料应用在梁桥中，形成性能优良的梁桥，没有现成经验可以参考。第二，采用钢管混凝土材料，建造成抗震能力强、行车舒适、材料用量省的桥梁，没有现成结构体系可以借鉴。第三，将钢管（箱）混凝土组合构件，作为弯拉受力结构，没有先例，需要开发探索。第四，钢管混凝土桁梁桥的最大特点，是节点和接头数量多，保证节点和接头受力性能，特别是耐久性能，是桥梁结构必须突破的关键技术。第五，在地灾、震灾、气候灾害频发的复杂山区，有效施工时间短，充分利用有限施工期，高质量快速完成施工，是需要重点攻克的技术难题。因此，通过开展复杂建设条件下钢管混凝土桁梁桥关键技术攻关，形成钢管混凝土桁梁桥快速建造核心技术。

在钢筋混凝土桩基础或扩大基础等基础上，从地面处采用钢管混凝土桥墩，通过管－桩接头与基础连接；部分桥墩采用先张法预应力钢箱混凝土结构作为盖梁，通过管-梁节点连接；桥梁主梁采用钢管混凝土桁式结构，通过开发的变刚度支座，支撑在钢管混凝土桥墩或盖梁上；将带钢底板的钢-混凝土组合桥面板，与主梁纵梁通过管-板节点锚固连接，形成了双主纵梁的钢-混凝土组合桥面板。

该新型钢-混凝土组合结构，全部在钢管（箱）内、或钢板上浇筑混凝土，不需要模板；所有钢结构采用工厂加工制造，现场组拼整件或整跨安装，然后浇筑混凝土，即可完成桥梁施工，不仅质量可控，现场施工作业量不到20%，施工快速。

受山区桥位V形或U形地形影响，距离梁式桥每联桥中心越远，桥墩高度越矮、桥墩刚度越大。采用等刚度支座支撑主梁，导致距离每联桥中心越远，支座与桥墩刚度总和越大，与主梁的变形刚好相反，支座使用早期会因剪力过大而被剪切破坏，或者地震等极限荷载作用下，墩柱过早坍塌。

变刚度支座设计理念——根据桥墩刚度和位置，定向设计相应支座刚度，使支座和桥墩的组合刚度总和，与支座到本联桥变位中心点的间距成反比，通过支座刚度实现 主动分配各桥墩在温度、制动力、地震等作用下的内力，既可以加大每联桥梁的分联联长，也可以集合更多桥墩参加承受水平分力，从而减小下部结构尺寸，节约材料。同时，长联结构体系伸缩缝数量少，行车更加舒适。

图1 变刚度支座设计原理

钢管（箱）混凝土作为受压构件，其承载能力提高约2.5倍，但作为弯拉构件，因混凝土抗拉强度低，钢管（箱）与混凝土无法协同承受荷载、难以提高弯拉承载力。为解决组合结构弯拉承载能力问题，经过大量试验和实践，笔者及团队提出了预应力钢管（箱）混凝土构件。

预应力钢管混凝土构件和预应力钢箱混凝土盖梁构件，即利用钢管（箱）本身作为反力支架，采用先张法施加预应力，把预应力储备在钢管（箱）内，再灌注钢管（箱）内的混凝土，等待混凝土强度达到设计强度后，松弛张力，形成预应力钢管（箱）混凝土结构，保证钢管（箱）与混凝土共同受力。试验研究表明，承受弯拉荷载时，预应力钢管（箱）混凝土变形是协调、一致的；同时，预应力钢管（箱）混凝土结构承载能力高、刚度大、塑性好、抗震性能强。

图2 预应力钢管（箱）混凝土构件

1.管-管节点。管-管对接接头与管-管相贯节点，其构造简单、成本较低，为了提高疲劳寿命，开展了系列研究。通过试验研究，拟定了提高抗疲劳性能的管-管相贯节点的壁厚比（t/T≤0.7）、管径比（d/D≥0.4）、径厚比（D/T≤50）等合理构造参数；通过工程实践，确定了管-管节点、接头加工制造技术要求，制定了采用相贯线专用切割机下料加工成形，合理控制焊口处间隙尺寸，采用全熔透焊接连接，控制焊缝外观成型质量等技术和装备；通过模型试验研究表明，焊后对焊缝进行修磨，可以控制表面焊接缺陷，提高疲劳寿命至少50%；主管、支管内灌注混凝土，可以提高相贯节点、对接接头的疲劳强度，延长疲劳寿命。

图3 管-管节点构造

图4 相贯节点S-N曲线

2.管-桩接头。管-桩过渡接头为桥墩地震破坏的塑性铰区，其构造与抗力是保证桥梁的核心技术之一。提出了①插入式带孔钢板剪力键；②钢管壁开孔穿钢筋；③桩基主筋与钢管外壁焊接；④钢管外加密环向箍筋；⑤设置局部受力钢筋网片；⑥外套护筒形成约束钢管组合结构。计算表明，该节点抗震安全系数提高至8.0，因接头安全度高，取消了地系梁，为山区陡坡地形简化施工，提供了技术途径。

图5 管-桩接头构造

3.管-板节点。管-板节点为主桁支管与主桁上弦钢管穿入焊接连接，并设置带孔节点板焊接于上弦管两侧，形成整体受力节点，节点埋入桥面板纵梁内，形成可靠的锚固连接构造。试验与计算表明，节点安全系数最低达到1.51，高于结构设置安全储备。

图6 管-板节点构造

4.管-梁节点。桥墩墩柱与盖梁连接，采用管-梁节点，该节点设置插入式带孔锚板、抗剪钢筋和外焊接连接加劲钢板，该节点为偏压受力为主，因此，其构造安全性高，满足结构安全与耐久需要。

图7 管-梁节点构造

利用钢管混凝土桁梁桥优良结构，开展工序与工艺组合设计，实现快速施工。钢管混凝土桁梁桥的全部钢结构，整体集中在气候条件较好、场地宽阔、具有较好生活条件的城镇区域的工厂内，开展加工制造。加工制造原则为：采用采购的钢板，下料加工成单元件→组拼成桁片→组装成节段→匹配成安装的整跨主梁或整体大构件（桥墩构件），待精度检验满足要求后，拆卸成满足道路运输空间要求的运输单元件，采用运输车辆运输至桥位现场匹配场地。运输单元件运输至现场后，利用桥头路基等匹配场地，在现场匹配成安装的整跨主梁或整体大构件（桥墩构件），并在匹配场地内完成张拉钢束、灌注混凝土，运输涂装车间涂装等工序作业。待加工、匹配与涂装质量检验满足要求后，采用胶轮运输专用车运输至待安装桥跨桥头，采用开发的整跨安装架桥机，将桥跨安装至设计位置。现场安装受气候环境影响较小，有效安装时间长；浇筑混凝土受气候环境影响较大，有效施工时间短；因此，设计安装方案为：不浇筑混凝土桥面板，直接安装主梁；待气候条件具备时，再集中浇筑桥面板混凝土，提高了功效。

与预应力混凝土简支桥相比，钢管混凝土桁梁桥减轻重量约51%，抗震安全度提高约3～5倍；与钢结构梁桥比较，主梁刚度提高约2.6倍，减少钢材用量超过38%，运输与安装更加方便，具有优良的技术指标。与预应力混凝土简支桥相比，钢管混凝土桁梁工程造价相当；与钢结构梁桥比较，减少投资约40%。

图8 经济技术指标

钢管混凝土桁梁桥，上部与下部用钢总量为224kg/m2、混凝土材料用量为0.78m３/m2，与钢筋混凝土梁桥相比，减少混凝土用量55%，解决了砂石资源匮乏的建设难题；且80%施工作业在工厂制造完成，现场施工作业仅为20%，安装快速、现场占用场地小；桥梁达到设计使用寿命后，拆卸简单，且可回收钢材再冶炼、再造桥，实现循环利用，是低碳环保节能的桥型。

我国西部高原山区幅员辽阔，经济基础薄弱，贫困人口集中，但资源丰富、战略地位高。因此，已经成为现代高速公路、国省干道建设的主战场，中等跨径高墩桥梁建设市场巨大，钢管混凝土桁梁桥就是为解决这类地区复杂条件建设而开发的新桥型，因此，具有广阔的推广应用前景。