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1、钢管混凝土拱桥设计、施工与养护关键技术研究技 术 响 应 书1、项目的背景和必要性1.1 项目概况拱桥是一种以受压为主的结构，可以应用抗压强度高、抗拉强度低的圬工材料修建，当地基条件较好时，这种由自重产生的廉价的对结构的压力，具有很大的经济性。拱桥的适用跨径范围较大，从几十米到三四百米、甚至更大，在山区深沟峡谷、库区等地形条件下，大跨拱桥能避免高墩或高塔的建造，单跨拱桥不需要象连续梁、斜拉桥那样用边跨来平衡主跨，因此具有很强的竞争力。长期以来，圬工和钢筋混凝土拱桥在我国得到广泛的应用，尤其在西南山区的公路建设中。然而，圬工和钢筋混凝土拱桥的自重较大，无支架施工困难等限制了其跨径的发展，随着经济
2、的发展、劳动力价格的提高和建筑材料供应的充分与价格的相对下降，拱桥的经济性和技术先进性日益受到其它桥型的挑战。1990年代，我国在西南地区开始了将钢管混凝土应用于拱桥的实践。1990年第一座钢管混凝土拱桥-四川旺苍东河大桥建成。此后，这种桥型在我国的公路建设中得到大量的应用与发展，据不完全统计，已建和在建的钢管混凝土拱桥已达200余座。已建成跨径最大的是广州丫髻沙大桥（主跨360m），在建跨径最大的是重庆巫峡长江大桥（主跨净跨460m）。钢管混凝土将钢材和混凝土有机地结合在一起。在受力方面，一方面借助内填混凝土提高钢管壁耐侧压稳定性，另一方面，通过钢管对混凝土的紧箍力作用提高核心混凝土的承载力
3、，因此两种材料优势互补，材料得到充分的利用。在施工方面，空钢管架设吊装重量轻，工厂化程度高，又可作为施工支架和内填混凝土的模板，施工用钢量省，而且工厂化、工业化水平高，加快了施工的速度。由于在材料性能和施工方法上的优越性，将其应用于以受压为主的拱桥之中是十分合理，它对于桥梁结构节约材料、减轻自重、提高跨越能力、方便施工、缩短工期都有着积极的意义。在国外，本世纪的30年代前苏联曾建造了两座钢管混凝土拱桥。此后，未有此类桥梁建设的报道。我国钢管混凝土拱桥近期的迅速发展已引起了国际桥梁界的注意。近些年国外有个别拱桥应用了钢管混凝土材料，如法国的Autrenas桥（跨径56m）、美国的Columbus
4、 Gateway拱桥等，但这些桥只是在拱脚部分应用了钢管混凝土材料，在设计上将其视为钢拱桥，与我国的钢管混凝土拱桥相比，无论在设计理论、结构型式，还是施工工艺与技术上均有很大的不同。然而，由于我国正处于交通基础设施与市政工程设施建设的高峰，钢管混凝土拱桥的应用发展迅猛，对于钢管混凝土拱桥的结构受力性能、施工工艺和要求等方面还处于探讨过程之中，仍有许多课题研究有待进行，更为重要的是我国迄今为止还没有专门的钢管混凝土拱桥设计与施工规范，给工程应用带来困难，也制约了钢管混凝土拱桥的健康发展。此外，我国的钢管混凝土拱桥修建虽然时间不长，但已有一些桥梁暴露出使用与养护上的一些问题，如悬吊桥面系的整体性较
5、差、吊杆的安全性与养护、钢管拱肋的防腐等，随着时间的推移，其养护问题可能更加突出。因此，钢管混凝土拱桥使用管理与养护方面的研究也应及早开展。钢管混凝土拱桥最早从我国的西南发展起来。我国西南地处山区，适合于修建拱桥，钢管混凝土拱桥是在我国经过广大桥梁工作者对拱桥轻型化、现代化的大量探索之后，找到的一种新型拱桥结构。由于它适合我国生产力、钢产量不断提高、对施工工期要求短、对桥梁审美要求提高的国情，在适合条件下具有良好的综合经济效益，因此，钢管混凝土拱桥一经出现很快就向全国发展。近年来，在西北地区的交通建设中，钢管混凝土拱桥也日益显示出其强大的生命力。因此，钢管混凝土拱桥已经在、也还将继续在西部地区
6、交通建设中发挥越来越重要的作用，对钢管混凝土拱桥的设计、施工和养护关键技术开展研究是非常必要的。钢管混凝土拱桥设计、施工与养护关健技术研究主要内容包括：1、钢管混凝土拱桥结构体系的研究（1）钢管混凝土拱桥结构体系研究； （2）钢管混凝土拱肋结构与构造研究；（3）桥面结构与构造研究。2、钢管混凝土拱桥结构设计理论及设计方法的研究（1）钢管混凝土拱桥极限承载力的研究；（2）钢管混凝土拱桥正常使用极限状态受力的研究；（3）钢管混凝土拱桥温度、收缩徐变问题研究。3、钢管混凝土拱桥施工及施工控制技术的研究（1）钢管拱肋加工制作技术标准的研究；（2）钢管拱肋架设技术方法的研究； （3）管内高性能混凝土的研
7、究；（4）施工控制技术的研究。4、钢管混凝土拱桥养护技术研究（1）既有钢管混凝土拱桥的现状调查及养护、改造技术的研究； （2）新建钢管混凝土拱桥养护技术的研究；（3）钢管混凝土拱桥健康诊断及监测系统的研究。1.2 项目研究目的本项目将在钢管混凝土拱桥大量应用及已进行的各种研究成果的基础上，抓住钢管混凝土拱桥理论与应用中关键的技术问题和在西部地区应用的特点，选取典型的工程作为分析对象，对钢管混凝土拱桥的结构体系、构造型式及受力性能进行深入系统的研究，对各种结构体系提出合理的构造型式与应用范围、提出实用的钢管混凝土拱桥设计计算理论、实用算法及应用程序、提出钢管混凝土拱桥设计指南以指导应用；对钢管拱
8、肋制作工艺及质量控制、钢管拱肋的架设技术及施工控制技术、管内混凝土质量检测与控制技术、施工控制技术等进行研究，编写钢管混凝土拱桥施工指南以指导施工；对钢管混凝土拱桥的使用管理与养护技术及健康诊断与监测系统进行研究，新建桥梁从建设开始就能为将来的使用与养护考虑，对于已建桥梁提出合理的使用管理与养护改造方案，提出钢管混凝土拱桥健康诊断经济实用的技术及安全评定方法，编写钢管混凝土拱桥养护手册，以最大限度地发挥钢管混凝土拱桥的社会经济效益。结合典型工程，通过研究，形成比较完善的、适合西部应用的钢管混凝土拱桥设计、施工与养护成套技术，并为钢管混凝土拱桥设计规范和施工规范的制定打下坚实的理论基础，使这种桥
9、型在我国的西部交通基础设施建设中发挥更大更好的作用。同时它对解决我国当前钢管混凝土拱桥设计、施工与养护的关键问题，促进钢管混凝土拱桥的科技进步，降低工程造价、提高结构安全性具有重要意义，将取得显著的经济效益和社会效益。1.3 市场需求前景交通基础设施建设是我国西部开发的重要内容之一，桥梁是交通基础设施中的关键内容，因此，在西部地区交通基础设施建设中必将修建大量的公路、铁路和市政工程桥梁。钢管混凝土拱桥结构形式多样，适用范围广，经济跨径从几十米到二三百米，最大跨径已达460米。我国西部地区多处于河流的上流，大河水面宽度以二三百米为多，两岸地势陡峭、地质条件较好时，可以用有推力的钢管混凝土拱桥一跨
10、跨越。对于其它情况，其主跨也可以采用钢管混凝土拱桥。据2002年11月人民交通出版社出版的钢管混凝土拱桥实例集（一）中的最新统计（不完全统计），已建成的钢管混凝土拱桥中有40%建于西部地区。目前西部在建的大型钢管混凝土拱桥有广西南宁永和大桥（跨径为338m）、重庆市巫山县巫峡长江大桥（主跨净跨径460m）、兰州雁盐黄河大桥（三跨一联87+127+87m）、湖南省永顺县王村大桥（主跨净跨径为200m）等。其中重庆市巫山县巫峡长江大桥建成后是我国、也是世界上跨径最大的钢管混凝土拱桥。因此，在西部交通基础设施建设之中，钢管混凝土拱桥的应用有着广阔的前景，本项目的研究对我国西部交通建设有着十分重大的意
11、义。1.4 达到的技术水平钢管混凝土拱桥是一种适合于中国国情的桥梁结构形式，国外此类桥梁修建甚少，因此其研究工作开展也极少。国内虽然钢管混凝土拱桥修建了较多，但是以针对具体桥梁的个案问题的研究为主，许多问题还未涉及，一些问题虽开展了研究但不深入，更缺乏对钢管混凝土拱桥设计、施工和养护关键技术开展过系统的研究。本项目联合了国内多家在钢管混凝土拱桥应用与研究方面具有相当基础的设计、科研、高等院校等单位，进行联合攻关，有望使我国钢管混凝土拱桥的设计、施工和养护技术的关键问题上取得一些重大的突破，取得较为系统的研究成果，使钢管混凝土拱桥的技术跃上一个新的台阶。研究成果将达国内领先水平或国际先进水平。
12、1.5 在国民经济发展中的作用西部开发是我国实现地区平衡发展和可持续发展的重大战略举措,开发西部首先必须解决公路交通等基础设施的建设问题。如前所述，钢管混凝土拱桥是一种适合我国西部地区应用的桥型，因此，本项目对钢管混凝土拱桥设计、施工与养护关健技术问题的研究，对充分发挥科技创新在西部交通建设中的作用，对西部交通建设中充分发挥投资效益、实现西部地区交通的跨越式发展起到积极的推动作用。交通基础设施的建设将改善西部地区的交通状况，促进西部地区的经济持续高速地发展。同时基础设施建设本身投资巨大，它将直接刺激建设地区的经济，拉动其经济增长。大量钢管混凝土拱桥的修建，将带动相关的冶金、建材、建筑等行业的发
13、展。因此，本项目的研究对于西部经济的发展也将有十分积极的作用。钢管混凝土拱桥在西部地区以外的我国广大地区也都有着大量的应用，本项目的研究对于我国其它地区的钢管混凝土拱桥的应用也有着重要的理论意义与应用价值，它对促进我国桥梁建设的技术进步、促进我国的经济发展也具有相当重要的意义。2、项目前期科研及工作基础2.1 对国内外研究现状、研究水平和发展趋势的分析与评价虽然最早的钢管混凝土拱桥出现在本世纪30年代的前苏联，近年来国外有个别拱桥应用了钢管混凝土材料，但国外对钢管混凝土拱桥的研究开展甚少，在设计上多将其视为钢拱桥。1、目前国内研究已取得的成果随着钢管混凝土拱桥应用推广，我国对钢管混凝土拱桥的设
14、计理论与施工技术研究已取得了一定的成果。许多大跨径钢管混凝土拱桥建设项目中都列有为保证桥梁顺利建成所进行的应用研究，积累了相当的实测资料和个案研究成果。一些科研院所和高校也开展了钢管混凝土拱桥方面的研究12。在单圆管的面内、面外受力全过程和双重非线性有限元分析方面3-5、在钢管混凝土拱的温度影响方面6、在钢管拱千斤顶、钢铰线斜拉扣挂悬拼技术及合拢松索技术78、转体施工技术9等方面均已取得阶段性的成果。此外，在管内混凝土收缩徐变问题、桁式结点疲劳问题、钢管混凝土拱桥的动力性能及抗震抗风问题、钢管防腐问题等方面也开展了一些研究。1999年以前的研究成果在钢管混凝土拱桥设计与施工1一书中得到了较为集
15、中的反映。2002年出版的钢管混凝土拱桥实例集（一）2的第一章对迄今为止的钢管混凝土拱桥设计理论进展与施工问题研究进行了综述，该书还给出了十一座有代表性的钢管混凝土拱桥的设计、施工、科研的较详细的介绍。桥梁计算示例集拱桥（第二版） 10中新增了钢管混凝土拱桥设计计算实例。公路施工手册桥涵（第二版）11也增加了钢管混凝土拱桥的施工内容。在标准方面，新修订的公路桥涵施工技术规范JTJ-41-200012增加了钢管混凝土拱桥的内容、公路工程质量检验评定标准JTJ-071-9713也对原标准071-94中有关钢管混凝土拱桥的内容进行了修订。此外，由重庆交通科学研究院主编的交通部规范钢管混凝土拱桥设计规
16、范、钢管混凝土拱桥施工技术规范于2001年6月在广西南宁召开了统稿会议，正在紧张制定之中，其中钢管混凝土拱桥施工技术规范正在对征求意见稿的返回意见进行修改。2、结构体系研究方面存在的主要问题钢管混凝土拱桥结构形式多样、适用范围广，这些结构形式的受力特点各不相同、适应条件也不一样，对钢管混凝土拱桥的结构体系进行系统的研究，探索各种结构的受力特点，对各种结构体系进行优化，提出适合于西部地区应用的桥型，这些工作迄今未见研究报道。钢管混凝土拱桥中出现了一些新型的结构，如下承式刚架系杆拱、带双悬臂半拱的中承式刚架系杆拱，这种采用高强拉索平衡拱的推力的新型结构，其各组成结构的合理构造、具体结构形式、设计计
17、算特点等方面，针对具体桥梁的设计探索进行得较多，上升到理论高度的研究很少14。钢管混凝土拱桥的拱肋截面按管的根数可分为单管、双管、三管、四管和六管。单管截面用于跨径不大的钢管混凝土拱桥，对单圆管截面的钢管混凝土拱桥的研究也取得了可喜的进展，因此，单圆管截面不作为此次研究的重点。双管截面以竖哑铃形为主，有个别为双管桁式的。钢管混凝土拱桥中有相当部分采用哑铃形截面，跨径从几十米到160m，以100m附近为多。哑铃形截面的极限承载力的计算虽然一些研究人员进行了探讨，但不同研究提出的计算方法理论各异，结果相差很大，且迄今未见有关试验研究，因此这些计算方法孰优孰劣无从判断。此外，哑铃形截面在灌注腹腔内混
18、凝土时常发生爆管事故15，因此，对其施工受力分析、提出合理的施工措施以及从结构构造上的改进是本次研究的一个重要内容。桁式拱肋能够采用较小的钢管直径取得较大的纵横向抗弯刚度，且杆件以受轴向力为主，能够充分发挥材料的特性，对跨径超过100m的钢管混凝土拱桥，桁肋是一个比较合适的截面形式。桁式截面中三管和六管截面应用较少，四管截面应用最多。四管截面还可以根据横向两根钢管之间的联系方式分为横哑铃形、全桁式以及组合式。桁式拱肋是由钢管混凝土弦杆与腹杆、平联（一般为空钢管）焊接而成的桁式结构，管接头的焊接质量与抗疲劳性能是设计的关键16。由于桁式截面适用于跨径较大的钢管混凝土拱桥，因此桁式截面是本项研究的
19、重点。我国长期以来，受经济条件和技术条件的限制，钢桥修建相对较少，尤其在公路桥梁中。在钢管混凝土拱桥设计中，钢管作为钢结构的一种，有许多结构构造方面的问题值得研究，比如拱肋管接头、横撑的构造、吊装接头、合拢接头等，目前这方面研究开展得也不多。特别值得指出的是，大跨度钢管混凝土拱采用的桁肋是一种管结构，这种管结构过去在我国的桥梁中几乎没有什么应用，因此，对于管结构的合理的结点形式、抗疲劳性能等等都有待我们的研究。我国过去修建的拱桥多为上承式拱桥，而钢管混凝土拱桥中，中下承形式应用较多。这些中下承拱桥中，下承部分桥面系的构造形式、吊杆构造、与拱肋的关系、伸缩缝的设置等问题已进行了一些可贵的探索，但
20、也还缺乏深入系统的研究。已有一些桥梁在桥面系的使用中暴露出一些问题，如桥面系振动较大、吊杆生锈与更换困难、下承部分桥面板小支座脱落且更换困难等等。我国的钢管混凝土拱桥的桥面系结构，除少数的拱梁组合桥的桥面系以纵梁为主外，绝大多数沿袭了上承式钢筋混凝土拱桥的梁式拱上建筑的构造形式。它以横梁为主结构，将横梁设置于立柱上或吊杆下，然后纵向铺设桥面板（梁）。这种桥面系不参与总体受力，属于局部受力传力结构，在中下承式拱桥中，由于横梁之间纵向联系很弱，因此其整体性较差，刚度也较小，桥面振动较为厉害。此外，这种缺乏整体性的下承桥面系，一旦吊杆破断，将造成严重的后果。因此，如何从结构与构造方面提高钢管混凝土拱
21、桥桥面系的整体性与刚度，是钢管混凝土拱桥结构体系中研究中应该引起重视的一个问题。另一方面，钢管混凝土拱桥由于拱肋截面的轻型化，使得桥面系在恒载中所占的比例上升。桥面系的轻型化问题就显得十分突出。钢筋混凝土、预应力混凝土和钢混凝土组合结构是钢管混凝土拱桥中常用的桥面结构形式。怎样根据具体桥梁的桥宽、桥梁结构形式、施工方法，选择合适的横梁结构，是桥面系结构中要研究的另一个问题。此外，中下承式拱桥面系与拱肋相接处的构造形式、伸缩缝的布置等等也都需要进一步的研究14。在我国的钢管混凝土拱桥中，吊杆和系杆均采用高强钢丝或钢铰线，目前已发现一些桥梁的吊杆与系杆出现生锈的现象甚至锈断，这个问题已引起了桥梁工
22、程界的高度重视。如何在现有基础上，开发出更适合于钢管混凝土拱桥应用的吊杆与系杆及锚固构造与产品，也需要进行研究。3、设计理论及设计方法方面存在的主要问题尽管我国在钢管混凝土拱桥的应用与研究方面取得了一些成果，但由于交通部目前还没有钢管混凝土拱桥相应的设计规范，设计与计算多沿用钢筋混凝土拱桥的规范、同时参考铁路钢桥和建筑行业的有关钢管混凝土结构的设计规程，因此在设计与计算中缺乏科学的理论体系、存在着一定的盲目性，导致设计计算结果有些偏于不安全、有些则偏于不经济。钢管混凝土单圆管构件已进行了大量的研究，然而这些研究主要以房屋建筑中的柱子为研究对象，针对钢管混凝土拱桥的构件研究还不多。由于钢管混凝土
23、拱桥施工时，首先架设钢管拱肋，灌注管内混凝土后再上后期的恒载，因此钢管的初应力问题比房建中的柱子要严重得多。钢管的受力、初应力对结构受力的影响是一个有等研究的问题。还有钢管与管内混凝土的联合作用问题，实际结构中混凝土的脱空程度及对受力的影响，现在研究得也不多。目前在钢管混凝土拱肋的强度验算方面，多采用容许应力法、将钢管混凝土视为钢筋混凝土结构，在考虑了施工初应力和收缩徐变应力后，拱脚处的钢管应力往往成为控制设计的因素，不仅没有发挥钢管与混凝土的组合作用，而且其组合效率连钢筋混凝土结构都不如，因为钢筋混凝土采用的是极限状态法验算极限承载力。即使有些设计者和研究者采用极限承载力进行验算，但对于我国
24、现有的三本有关钢管混凝土结构的设计规程（中国工程建筑标准化协会标准钢管混凝土结构设计与施工规程（CECS28：90）；国家建筑材料工业局标准钢管混凝土结构设计与施工规程（JCJ01-89）；电力部钢-混凝土组合结构设计规程（DL5099-97），如何采用也没有深入的研究。三本规范由于理论依据不同，在许多方面的计算方法也不相同，计算结果也有一定偏差。在采用极限承载力进行验算时，应如何考虑初应力的影响、混凝土收缩徐变的影响等等，也都有待研究。单圆管仅用于跨径不大的拱桥之中，大量的钢管混凝土拱桥采用的是哑铃形和桁式拱肋，然而，钢管混凝土哑铃形和桁式拱肋构件的试验研究迄今未见文献报道，其极限承载力计算
25、方法是钢管混凝土拱桥强度验算的基础。因此，十分有必要开展这方面的研究。钢管混凝土拱肋是由钢管和管内混凝土组成，设计计算时刚度如何取值对计算结果有相当的影响。一般而言，刚度取值大，超静定拱的计算内力也大，因此，从内力方面来说，刚度取值大是偏于安全的。而在稳定计算和挠度计算时，刚度取值大，则稳定系数大、挠度值小，因此，在计算结构的稳定和挠度时，刚度取值大则计算结果是偏于不安全的。另外，拱肋的刚度主要有抗压刚度与抗弯刚度，二者对上述计算的影响也是不同的。目前，钢管混凝土拱肋刚度取值问题尚未引起人们的注意，有关研究开展得很少，设计时多数是简单的将钢管与混凝土刚度进行迭加，从已进行的初步分析看，它对于内
26、力计算是偏于安全的，然而，对于稳定和挠度计算则是偏于不安全的，而稳定和挠度往往会成为大跨度钢管混凝土拱桥设计的主要控制因素。目前已有一些桥梁的观测发现，钢管混凝土拱桥的实际挠度超过设计计算值。钢管混凝土拱桥一般为超静定结构，温度变化会产生附加内力。钢管混凝土拱肋因其材料、截面构成和施工方法等与其它拱桥不同，如何确定温度变化值已开展了初步的研究6，但还未到实用阶段。除线性温差内力外，钢管混凝土还存在着非线性温差，它所产生的自应力对结构受力性能的影响也有特进一步的研究。除了温度问题外，管内混凝土的收缩徐变问题也是工程界所关心的问题。目前这方面的基础理论与试验研究还不是很多，在实际工程中往往采用普通
27、混凝土的徐变模型或对其参数进行一些修改17-19。而且目前对管内混凝土收缩徐变的研究的重点在于应力方面，尤其是采用容许应力法时，钢管的应力在考虑徐变后的增加，导致许多设计中钢管应力成为结构设计的控制因素。然而，正如前面所述的，容许应力法存在着偏保守的倾向。而另一方面，徐变引起结构刚度的下降对结构变形控制和结构稳定控制的影响没有引起工程界和研究人员的足够重视。在动力性能方面，钢管混凝土拱肋本身由于具有较好的弹塑性性能、刚度较传统的圬工拱桥和钢筋混凝土拱桥小许多，因此现有的一些计算表明钢管混凝土拱桥的地震作用力一般要小于活载作用力。由于，国家重点实验室资助了钢管混凝土拱桥抗震性能研究、国家基金资助
28、了钢管混凝土拱桥抗震理论研究20，因此，在本次西部课题中不考虑将钢管混凝土拱桥抗震理论作为重点进行研究，而考虑在第一专题钢管混凝土拱桥结构体系研究中加以考虑。4、施工及施工控制方面存在的主要问题在钢管混凝土拱桥的施工和施工控制方面，同样既取得了可喜的成果，但也存在着一些问题。在钢管拱的缆索吊装、转体施工应用研究方面已取得重大的突破， 如缆索吊装中的千斤顶斜拉扣挂悬拼技术、将修建斜拉桥、悬索桥的施工技术应用于钢管混凝土拱桥的施工之中，如大吨位水平转体的成套技术、竖向转体的液压同步控制技术等7-9。然而，这些技术往往设备投资大、技术要求高、施工工序复杂，因此，钢管拱的架设技术还有许多有待进一步完善
29、与改进的地方，如缆索吊装施工中，如何优化和减少扣索等，通过研究，使钢管拱肋的架设施工能简化施工工序、降低设备投资，有利于其在西部地区的发展与应用。近年来大跨度钢管混凝土拱桥在施工过程中都进行了施工监测监控，对保证施工的安全和质量起到了积极的作用。但由于施工监测监控技术主要从斜拉桥施工引入，因此在针对钢管混凝土拱桥特点开展施工监测监控方面的研究才刚刚开始。钢管混凝土拱肋由钢管与管内混凝土组合而成，在管内混凝土的材料性能、灌注工艺等方面也进行了相当多的技术研究。但对于如何保证钢管与混凝土的紧密结合、减小钢管与混凝土的脱空，高效科学的检测方法与手段，应用高性能混凝土等方面的研究开展得还不够。由于目前
30、尚无钢管混凝土拱桥专门的施工技术规范，许多钢管混凝土拱桥施工时都编制了针对具体桥梁的施工技术规定。但对于施工容许误差的规定研究较少，因此，所规定的容许误差存在着不科学、不合理的内容，有些指标可能过严、施工不易达到，而且对结构受力与使用性能影响不大，增加了施工难度和费用，而有些则可能太松，对结构的使用和安全带来不利的因素。5、养护方面存在的主要问题钢管混凝土拱桥的出现才十余年的时间，但在使用与养护方面已出现了一些问题。如广东佛陈大桥的系杆出现了锈断，至使该桥在运营5年后（19941999）就被迫关闭交通进行系杆的更换，由于当时设计考虑的是不可更换的系杆，因此，给系杆的更换带来极大的困难，系杆更换
31、工程造价高，中断交通时间长，给投资者（收费桥梁）和当地的经济带来很大的影响22。重庆宜宾的小南门桥（中承式钢筋混凝土拱）的吊杆拉断事故对大量钢管混凝土中下承式拱桥中的吊杆安全敲起了警钟23，对一些钢管混凝土拱桥的吊杆的调查也发现了生锈的现象等。钢管混凝土拱桥早期设计的吊杆在防腐方面的考虑不足，且多为不可更换的吊杆，这样给吊杆的养护与更换带来了相当的困难。随着时间的推移，这种问题会更多突出。为此，2003年西部交通建设科技项目专列有“拱桥吊杆健康诊断技术研究”的项目。对于中下承式钢管混凝土拱桥，在下承式桥面系与拱肋相交处的伸缩缝与小支座在使用中由于桥面系的整体性较差和振动较大而存在易于损坏和脱落
32、的毛病，这也是养护方面存在的问题。钢管混凝土拱桥钢管外表面的防腐涂装早期多为油漆，使用数年后需要补涂，有的甚至需要重新油漆。近年来，多采用金属喷涂防腐，其防腐效果也有待时间的考验。还有近年来在一些钢管混凝土拱桥中采用了钢混凝土组合桥面系，如连霍国道主干线徐州京杭运河大桥、湖南益阳市茅草街大桥等，其钢梁也存在着防腐的问题。今后，已建成钢管混凝土拱桥的防腐问题将会不断地提到桥梁使用与管理部门面前。桥梁使用状态的健康诊断与长期监测是当前桥梁工程研究的一个热点，已引起国内外桥梁使用与管理部门的高度重视，我国在这方面的研究与应用正处于起步阶段，目前在一些投资大、重要性突出的桥梁中已经开始了这项应用。如何
33、针对我国西部的环境与经济特点和钢管混凝土拱桥的特点，探索出经济、实用、方便、有效的钢管混凝土拱桥使用状态的健康诊断与长期监测，是一个岌待研究的课题。总之，钢管混凝土拱桥仅出现十余年的时间，现已暴露出一些养护方面的问题，随着时间的推移，养护问题会越来越突出，目前在这一方面还缺乏经验与技术准备，对钢管混凝土拱桥的健康诊断与长期监测监控更是一个全新的课题。因此，认真研究钢管混凝土拱桥的养护问题，为今后已建钢管混凝土拱桥的养护和新建钢管混凝土拱桥在设计时采取有效措施方便养护、减少养护工作量，是非常必要的。钢管混凝土拱桥要在西部开发中发挥其优势，必须在养护问题上取得突破性的进展2.2 项目前期科研及现有
34、工作条件湖南省交通规划勘察设计院是本项目的申报单位和主持单位。湖南省交通规划勘察设计院是国内较早开展钢管混凝土拱桥应用研究及设计的单位之一，已设计了湖南省资兴市鲤鱼江大桥（280m中承式钢管混凝土拱桥）、邵阳市西湖桥（388m下承式钢管混凝土系杆拱桥）、衡南县湘江大桥（390m中承式钢管混凝土拱桥）、益阳市资江三桥（102m114m102m中承式钢管混凝土拱桥）、长沙市黑石铺湘江大桥（153m171m153m中承式钢管混凝土拱桥）、永顺县王村大桥（26m208m26m中承式钢管混凝土拱桥）、益阳市茅草街大桥（80m368m80m中承式钢管混凝土系杆拱桥）等多座钢管混凝土拱桥，具有丰富的钢管混凝
35、土拱桥设计与科研实力，目前正主持湖南省交通厅“大跨度钢管混凝土拱桥设计与施工成套技术研究”科研项目，该项目以益阳市茅草街大桥为依托工程，主要研究内容包括：1、主拱施工工艺和施工控制模型试验研究研究内容包括：主拱施工过程模拟、施工过程的主拱受力及稳定性分析、成桥状态静动力试验与分析。已完成的工作有：主拱肋模型加工制作完毕，边拱及扣塔模型已施工完成。2、高性能钢管混凝土受力性能分析及模型试验研究研究内容包括：钢管混凝土结构的受力特性、成桥状态应力应变测试、正常使用极限状态下应力应变测试、钢管混凝土结构超载特性研究。3、钢管混凝土防脱空技术研究研究内容包括：混凝土配合比优化的试验研究（泌水试验、水化
36、热、膨胀率试验等）、混凝土收缩变形特性、钢管混凝土的足尺模型试验。已完成的工作有：钢管混凝土的早期脱空、钢管内混凝土的变形特性、混凝土配合比的优化、足尺模型的温度场及变形的初步结果。4、静动力特性分析与试验研究研究内容包括：施工及成桥阶段静动力分析、施工及成桥阶段稳定分析、施工及成桥阶段抗风分析、抗震分析。已完成的工作有：施工及成桥阶段应力验算、收缩徐变影响计算、局部构件强度及稳定计算、施工預拱度计算、成桥自振特性计算、施工及成桥阶段第一类稳定计算、成桥阶段第二类稳定计算、两个概率水平的反应谱分析。5、抗风抗震性能研究研究内容包括：桥位处基本风速和大桥设计基准风速的统计分析、拱肋及桥面系节段模
37、型静力三分力系数测定和静风荷载计算、拱肋及桥面系节段模型测振风洞试验和等效风振荷载组合研究、大桥施工阶段及成桥状态的动力特性计算分析、施工及成桥状态气弹模型风洞试验和抗风稳定性研究。交通部公路科学研究所是本项目的主要参加单位之一。交通部公路科学研究所是国内较早开展钢管混凝土拱桥应用研究的单位之一，已设计广东省高明大桥、浙江省淳安县南浦大桥（主跨径308m钢管混凝土拱桥）、浙江省03省道（一级路）杭甬运河大桥（88m三肋下承式钢管混凝土拱桥）、浙江省07省道（一级路）焦山门大桥（90m跨下承式钢管混凝土拱桥）、海南省海口市琼州大桥设计（88m+98m+108m+98m+88m五跨钢管混凝土下承式
38、系杆拱桥）等多座钢管混凝土拱桥，承担了广州丫髻沙大桥等钢管混凝土拱桥的静动载测试工作，具有丰富的钢管混凝土拱桥工程实践与科研经验与实力。福州大学为本项目的主要参加单位之一。福州大学对钢管混凝土拱桥的应用进行了一系列的研究，在钢管混凝土单圆管极限承载力、双重非线性有限元分析、温度问题、施工受力分析等方面均取得了可喜的成果。出版了钢管混凝土拱桥设计与施工、钢管混凝土拱桥实例集（一）、钢混凝土组合桥梁设计与研究、钢管混凝土力学、钢管混凝土结构等专著多部，已在国内外发表相关论文60余篇。先后有钢管混凝土拱桥结构受力性能研究、316国道福建闽清石潭溪大跨度钢管混凝土拱桥试验研究、深圳彩虹（北站）大桥钢混
39、凝土组合桥梁设计与研究等课题获省部级科技进步奖。目前承担的国家自然科学基金钢管混凝土拱桥抗震理论研究进展顺利，成果正在陆续发表之中。承担了福建省内十余座钢管混凝土拱桥的设计、监理、试验研究等任务，参加了广州丫髻沙大桥、深圳北站大桥（以上工程已建成）、浙江钱江四桥、湖南茅草街大桥、郑州黄河公路二桥等大型钢管混凝土结构的专家组工作、部分设计工作和部分课题研究，参加了钢管混凝土拱桥施工技术规范的编写，在钢管混凝土拱桥的应用研究方面积累了丰富的经验。近年来，福州大学积极参予西部地区钢管混凝土拱桥的应用与研究，参加了兰州雁盐黄河大桥、西宁北川河桥的设计咨询工作，承担了西宁北川河桥的施工监控和成桥静动载测
40、试。福州大学结构工程实验室为省重点实验室，拥有美国MTS公司生产的液压伺服加载系统、英国IMP结构数据采集系统，长柱试验机、疲劳试验机、激光全息干涉仪等主要设备，部分设备处于国内一流水平，可承担各类土建结构试验，能满足本项目的试验要求。福州大学已进行了大量钢管混凝土拱桥与钢管混凝土构件的试验，积累了丰富的试验研究经验。长沙交通学院为本项目的主要参加单位之一。长沙交通学院较早开展了钢管混凝土拱桥的研究，参加了钢管混凝土拱桥施工技术规范的编写，负责长沙市黑石铺湘江大桥、永顺县王村大桥、云南省澜沧江小湾水电工程小湾大桥（主跨130米的半穿式钢箱拱肋提篮式拱桥）、益阳市茅草街大桥等多座钢管混凝土拱桥的
41、施工控制及科研等工作，具有钢管混凝土拱桥设计、施工与科研方面丰富的经验。过去相关研究的工作基础及获奖情况详见附表1投标人相关的科技成果或产品开发情况表。3、项目实施方案3.1 拟解决的关键技术问题本项目四个研究专题，涉及设计、施工、施工控制及养护等方面，下面给出本项目研究的关键技术：（1）管结点及接头设计构造准则；（2）钢管混凝土拱桥的材料非线性模型与双重非线性有限元分析程序；（3）钢管混凝土拱桥极限承载力实用算法；（4）钢管混凝土拱桥的变形计算与控制；（5）钢管混凝土拱桥温度、收缩徐变问题；（6）钢管混凝土防脱空技术；（7）钢管混凝土拱桥合理的施工容许误差；（8）钢管混凝土拱桥施工控制技术；
42、（9）钢管混凝土拱桥养护技术；（10）钢管混凝土拱桥健康诊断和监测系统。3.2 技术创新点1、首次系统全面地提出从结构构造、计算理论、施工技术、养护维修等方面进行钢管混凝土拱桥的研究。抓住钢管混凝土拱桥设计、施工与养护的关键技术展开研究。研究内容注重试验研究与理论研究的结合，注重钢管混凝土拱桥的共性与依托工程特殊性的结合，注重西部地区的特点与钢管混凝土拱桥在其它地区已取得成果的结合。2、以结构的极限承载力作为设计理论研究的核心，提出建立在试验与大型通用程序验证基础上的、能较好地反映结构受力实际情况的、考虑材料非线性与几何非线性的钢管混凝土拱的有限元计算方法，编制相应的具有自主知识产权的专用分析
43、程序。在此基础上，通过大量的参数分析，提出钢管混凝土拱桥极限承载力的实用算法。以极限承载力为核心的钢管混凝土拱桥的设计计算理论的突破将改变我国目前钢管混凝土拱桥设计计算方法混乱、缺乏科学依据的现状，使中国的钢管混凝土拱桥技术，有仅具有丰富的工程应用经验，而且有相当的科技含量。3、根据钢管混凝土拱桥的结构特点，首次提出从结构体系、拱肋结构与构造和桥面系结构三个方面研究钢管混凝土拱桥的研究思路，将管结构、钢结构桥梁的研究成果与我国在拱桥方面的丰富经验相结合，以探讨钢管混凝土拱桥结构与构造的合理形式。4、将现代的控制理论应用于钢管混凝土拱桥的施工控制之中。5、以结构全寿命的观点进行钢管混凝土拱桥的研
44、究，注重桥梁使用过程中的养护与管理，将正在迅速发展的桥梁健康诊断与使用过程的监测技术应用于钢管混凝土拱桥之中，并强调新技术的实用性与经济性方面的研究与开发，研究成果将用以指导今后的设计、施工与养护。3.3 主要研究内容根据钢管混凝土拱桥目前存在的问题，本项目拟订四个专题进行研究，主要内容如下：专题一：钢管混凝土拱桥结构体系的研究，下设三个子题，分别为：1、钢管混凝土拱桥结构体系研究研究内容主要包括钢管混凝土拱桥上承式、中承式和下承式；有推力和无推力结构体系的静力与动力受力特点，合理的结构型式与总体布置，技术经济指标等，重点研究各种结构形式之间、各种结构型式与钢筋混凝土拱桥的不同之处以及刚架系杆
45、拱的受力特点与合理的结构型式。钢管混凝土拱桥结构形式丰富多样，以车承形式划分，有上承式、中承式和下承式。三种形式的适用条件、对拱脚水平推力的处理也均不相同。上承式拱桥构造简单、横向联系容易布置，桥面系支承于立柱上，整体性、横向稳定性和抗震性均较好。上承式拱一般是有推力拱，它对地基的要求较高。下承式拱桥一般带拉杆（系杆拱），它又可分为有支座的拱梁组合结构和无支座的刚架系杆拱。拱梁组合结构主要应用于中小跨径之中，主要原因是跨径增大以后，它的施工架设较为困难。与拱梁组合桥不同，刚架系杆拱中拱肋与桥墩固结，不设支座，采用预应力钢绞线作为拉杆来平衡拱的推力，拉杆独立于桥面系之外，不参与桥面系受力，而桥面
46、系为局部受力构件。刚架系杆拱为超静定结构，桥梁上部、下部以及基础甚至地基连成一体，结构的超静定次数较多，受力复杂。由于系杆抗拉刚度较小，拱的水平推力的增量主要由桥墩和拱肋自身承受，因而考虑系杆变形后它是有推力的结构。中承式也有采用刚架系杆拱的，主要是带悬臂的三跨式，又称飞鸟式或飞燕式，也有称自平衡或自锚式的。中承式拱还有相当部分是有推力的结构。它对地形地质条件的要求同上承式拱。但其桥面系有上承部分，也有下承部分。不同的车承形式与有无推力的不同结构体系之间的静力受力特点与抗震性能、结构特点及适用范围，由于拱肋采用了钢管混凝土后与钢筋混凝土拱产生的结构与受力及适用范围方面的变化都是本研究的内容。由
47、于中下承式刚架系杆拱是在钢管混凝土拱桥中特有的桥型，因此，这类桥型的研究它是本研究的重点。通过研究，对钢管混凝土拱桥在总体设计方面的结构选型、方案比选、经济评价与初步设计方面为设计人员提出指导意见，少走弯路。2、钢管混凝土拱肋结构与构造研究钢管混凝土拱肋由钢管与管内混凝土组成，含钢量少则钢管对混凝土的套箍作用不明显，含钢量大则钢管加工困难、造价也高，因此，通过对依托工程与其它桥梁的拱肋含钢量对结构受力、施工和养护方面影响的研究，提出合理的含钢率范围，将对今后此类桥梁的修建有重要的指导意义。钢管混凝土拱肋的截面形式主要有单圆管、哑铃形和桁式，各种截面形式在受力性能、构造、施工和使用方面均有不同，
48、在跨径适用方面也不同。单管截面加工简单，但抗弯效率低，主要用于跨径不大的桥梁和人行桥中，且已进行了较多的研究，因此本次研究不将其作为重点。哑铃形截面较之单圆管截面，截面抗弯刚度较大，但腹腔内的混凝土受钢板横向套箍作用机理复杂，缺乏研究。腹板与圆管相接的交角较小，加工较为困难，质量不易得到保证。在灌注混凝土过程中，腹板受混凝土压力的作用容易外鼓，所以需有拉杆对拉或采用其它措施，这使得构造较为复杂。桁式拱肋能够采用较小的钢管直径取得较大的纵横向抗弯刚度，且杆件以受轴向力为主，能够充分发挥材料的特性，被广泛应用于大跨度钢管混凝土拱桥之中，但钢管混凝土桁肋是一种管结构，这种管结构过去在我国的桥梁中几乎没有什么应用，因此，对于管结构的合理的结点形式、抗疲劳性能等等都有待我们的研究。钢管混凝土拱桥的主拱圈一般为拱式，为保证其横向稳定性，通常通过横撑使拱肋形成组拼拱。研究表明，横撑的布置与结构形式对拱的横向稳定影响很大。另一方面，拱在地震波作用下横向动力失稳是其最有可能的破坏形式，而加强横撑在提高组拼拱横向弹性一类稳定的同