钢管混凝土作为优异的钢—混组合结构，近年来已广泛应用于拱桥、斜拉桥、悬索桥、梁式桥等各种桥型。随着钢管混凝土桥梁的不断发展，国内外学者开展了大量理论研究和工程实践，取得了一系列创新技术成果。

钢管混凝土桥梁的发展

1990年，四川省建成了主跨115m的旺苍东河大桥（图1），该桥为下承式系杆钢管混凝土拱桥，也是中国第一座钢管混凝土拱桥，主拱钢管壁厚为8mm，钢管内灌注C30混凝土。

图1 旺苍东河大桥

受四川旺苍东河大桥建设成果影响，近30年来，中国建成了包括拱桥、梁桥、斜拉桥、悬索桥在内的各种桥型的钢管混凝土桥梁。钢管混凝土作为主拱承载的拱桥已建成460余座，其中主跨530m的四川合江长江一桥，已于2013年建成通车；主跨507m的四川合江长江三桥，预计于2020年底竣工通车；而主跨575m的广西平南三桥，将于2021年建成通车。

钢管混凝土作为主梁承载的梁桥已建成4座，桥梁累计长度达到8420m。2012年建成的四川雅西高速干海子大桥全长1811m，其主梁为多种跨径组合的钢管混凝土桁架连续梁（图2）。2018年建成的四川汶川克枯大桥全长6431m，采用全钢管混凝土桁梁建造，全桥施工未用模板，主梁采用整跨架设施工（图3）。

图2 雅西高速干海子大桥

图3 四川汶川克枯大桥

钢管混凝土作为复合结构桥墩承载的梁桥共4座，其中四川雅西高速腊八斤大桥地处VIII度地震区，桥墩采用钢管混凝土格构空心墩，钢管内灌注C80自密实混凝土，最大桥墩高度为183m，已于2012年建成通车（图4）；四川金阳河特大桥地处IX度地震区，桥墩采用钢管混凝土格构空心墩，最大桥墩高度为196m，预计于2021年建成通车。

图4 四川雅西高速腊八斤大桥

钢管混凝土作为主梁、索塔承载的斜拉桥和悬索桥已建成5座，其中主跨140m的广东南海紫洞大桥，索塔为钢管混凝土单塔柱，主梁为全钢管混凝土空间桁架形式，于1996年建成通车。主跨220m的重庆巫山手扒岩大桥，索塔的上塔柱为四肢钢管混凝土格构柱，主梁采用全钢管混凝土空间桁架形式，于2006年建成通车（图5）。

图5 重庆巫山手扒岩大桥

面临的难题

随着钢管混凝土桥梁的不断发展，建设该类桥梁，主要面临以下技术难题：

（1）需要提出单肢钢管混凝土构件的轴拉、轴压的承载能力计算方法，并开发结构的工程化应用。

（2）为建设桁式、复合式的钢管混凝土组合结构桥梁，应当研制出高性能材料，满足新结构的构造准则，并建立相应的计算方法，准确计算其承载能力；需要设计合理的结构构造及优化安装工艺，实现工程应用的目标要求。

（3）必须制订满足钢管混凝土桥梁安全适用性和技术经济性的科学评价准则。

钢管混凝土实际上是在钢管内灌注混凝土，借助钢管对核心混凝土的约束作用，使后者处于三向受压状态，提高钢管内混凝土轴心抗压强度约2.5倍，拉弯强度约1.8倍。近30年来，通过开展钢管混凝土构件和结构的各项力学性能试验研究，探索了钢管与混凝土组合共同作用的工作性能和力学规律。通过系统试验研究表明，在弹性阶段、弹塑性阶段、强化阶段和破坏阶段，钢管混凝土与钢材的延性力学特性一致，属于延性材料，钢管混凝土材料的荷载位移曲线如图6所示。

图6 钢管混凝土荷载—变形曲线

钢管混凝土截面验算时，因钢管与混凝土始终在局部截面存在脱空的现象，故而这项缺陷在工程中难以避免。特别是对大跨径钢管混凝土拱桥而言，主拱钢管为曲线且直径更大，灌注饱满度更难控制。

图7 钢管混凝土本构关系

因此，根据钢管混凝土桥梁工程实践认识，通过管内混凝土脱空与脱粘缺陷调查分析，结合大量模型试验研究,建立了钢管混凝土容限脱空统一理论和本构关系(图7)，推导出容限脱空钢管混凝土极限承载能力计算方法（式1）。

γN≤φ₁φ_eK_pK_df_scA_sc　　(1)

随着钢管混凝土桥梁的跨径增大，结构的材料和几何非线性问题突出。因此，提出了大跨钢管混凝土桥梁的非线性稳定计算方法：钢管混凝土材料采用“无缺陷约束模型”，到“容限缺陷修正模型”的材料非线性计算方法，即EA=0.85E_SC A_SC，容许脱空约束模型本构关系如图8所示。根据工程实践数据，引入几何非线性初始缺陷的计算方法，即引入初始缺陷△=10cm。

图8 容许脱空约束模型本构关系

采用单肢钢管混凝土组合结构修建的桥梁，具有以下工程特点：

1.由于圆形钢管对混凝土的径向约束作用，与钢箱混凝土相比，钢管混凝土单肢组合结构不用设置抗剪连接构造和加劲构造等连接装置，使得其结构构造简单、制造安装方便。

2.借助钢管混凝土的外套钢管，作为钢管混凝土桥梁施工的支架和模板，使其具有自架设能力，无须安装、拆卸和运输模板。

3.钢管混凝土强度高、构件截面尺寸小，极大地节省了材料。此外，圆形钢管混凝土的总体美观、外形顺适，市场需求较高。

2001年建成通车的重庆万州万安大桥，为主跨140m的双塔单索面斜拉桥，索塔采用单肢钢管混凝土组合结构；2017年建成通车的贵州清水江大桥，为主跨110m的钢管混凝土系杆拱桥，主拱采用单肢钢管混凝土组合结构。

在钢管混凝土单肢组合结构桥梁的基础上,我国桥梁工程师和学者们对钢管混凝土组合结构桥梁开展了持续的理论研究和技术实践,取得了一定的创新成果。通过工程实践表明,与前者相比,此类桥梁具有显著的技术和经济优势。

构造简洁的桁式主拱

以两肢、三肢或者四肢的钢管混凝土，作为主要受力构件，统称为主管，主管内一般应灌注强度不低于C50的混凝土；通过倾斜式、平行式或者倾斜式与平行式混合的钢管连接,统称为支管,支管一般不需要灌注混凝土；由主管与支管组成的桁式结构,形成钢管混凝土桁式主拱，亦是大跨径钢管混凝土拱桥主拱的主要形式。当主管的间距小于两倍主管直径时,主管之间可考虑用平行式支管进行连接；若主管间距大于两倍主管直径时,一般会采用倾斜式支管。 

在钢管混凝土桁式结构的主管内灌注混凝土，不仅提高了主管受压极限承载能力，同时提高了节点刚度，与其他桁式结构相比，节点连接处不需要设置节点板等加强性构造。钢管混凝土桁式结构的支管，作为主管之间的连接构件，钢管各向刚度均衡，且刚度较大，使主拱支管无论纵向，还是横向的受力一致，也无须进行加劲。因此，钢管混凝土桁式结构主拱的结构构造简洁，施工安装方便。

图9 钢管混凝土桁式主拱

整体刚度高的桁式桥墩

钢管混凝土桁式桥墩由竖向主管和横向支管连接组成，竖向主管一般应在管内灌注混凝土，横向支管则无须如此。与钢筋混凝土桥墩相比，钢管混凝土桁式桥墩具有自重轻、结构延性好、抗震性能优异等优势。通过工程实践表明，钢管混凝土桁式桥墩的钢管重量轻且安装设备简单，因主管为竖直结构，其制造安装的匹配难度小、灌注管内混凝土的密实性好，其竖向承载能力和整体刚度亦得以显著提高。 

图10 钢管混凝土桁式桥墩

钢管混凝土混合桥墩

当桥墩高度大于60m时，受水平地震力影响，钢管混凝土桁式桥墩的水平刚度一般无法满足抗震位移需求。因此，沿水平地震力方向，用厚度约为40cm的钢筋混凝土腹板代替钢管混凝土桁式桥墩的支管，以提高水平刚度，形成钢管混凝土组合桥墩。钢管混凝土组合结构与桁式结构混合使用，形成钢管混凝土混合桥墩。

四川雅西高速干海子大桥位于9度地震区，当桥墩高度小于60m时，采用钢管混凝土桁式桥墩；当桥墩高度大于60m时， 则使用钢管混凝土混合桥墩。

桁式主梁 多重支撑

钢管混凝土桁式主梁由钢管混凝土主管与支管、劲性骨架的钢筋混凝土主纵梁和钢-混凝土组合桥面板组合而成，如图11所示。

图11 钢管混凝土桁式主梁示意图

支管与下弦主管采用相贯焊接连接，与上弦则采用节点板等构造锚固连接。通过理论研究和实践验证，在主管和支管内灌注自密实混凝土，能够显著提高节点刚度，使相贯节点应力幅降低约25%。相贯节点焊缝的趾部区和过渡区采用全熔透焊接，焊缝热影响区通过人工修磨除去焊接表面缺陷，疲劳寿命将提高50%以上。通过多年持续开展的多参数组合节点疲劳模型试验，建立了钢管混凝土桁式结构焊接节点疲劳寿命的名义应力和热点应力评价方法，提出了相贯焊接节点无限疲劳的截止容许应力幅，制定了提高疲劳寿命的设计、工艺及检查维修技术。

钢管混凝土桁式主梁的主管，采用先张法预应力钢管混凝土结构，通过试验和工程实践表明，此类构件承受拉弯载荷时，钢管、钢管内混凝土和预应力钢束受力和变形是协调一致的。此外，根据模型试验成果，依据物理模型、数学模型和可靠度理论，提出了容限脱空拉、弯钢管混凝土统一理论，建立了容限脱空拉、弯钢管混凝土构件极限承载能力的计算方法。

图12 钢管混凝土预应力张拉

钢管混凝土桁式主梁的加工制造全部在工厂内完成，通过逐节段的匹配检验合格后，再拆分成设计的运输节段，运输至施工现场，在施工现场进行整跨匹配还原，通过开发的架桥机进行整孔架设钢管混凝土桁式主梁，再现浇C40高强高韧性桥面板混凝土，完成主梁全部施工。

图13 整孔架设钢管混凝土桁式主梁

强劲骨架成拱

将钢管作为施工支架先行安装合龙成拱，然后在钢管内灌注强度不低于C60的自密实混凝土，形成钢管混凝土强劲骨架，再外包钢筋混凝土，形成钢管混凝土复合结构主拱，如图14所示。

图14 钢管混凝土复合结构主拱

支撑外包钢筋混凝土的钢管混凝土强劲骨架，必须满足下列要求：

1.截面含钢管混凝土率≥8%。

2.钢管混凝土截面与主拱截面承载力之比≥20%。

3.当对钢管混凝土强劲骨架进行计算时，应考虑它的复合受力效应。钢管混凝土强劲骨架可以通过提高管内混凝土强度等级、提高主拱骨架强度、简化外包混凝土工序和工艺来实现。

根据实际工程经验，钢管混凝土强劲骨架成拱的方法，与既有普通骨架成拱的方法相比，外包钢筋混凝土由11环合龙简化为2环合龙，大大简化了施工工艺，缩短工期约8个月。

采用钢管混凝土强劲骨架的成拱工法，建成了主跨280m的四川布拖金沙江大桥、主跨260m的四川金阳金沙江大桥，主拱钢管内灌注C60自密实混凝土，再外包C60钢筋混凝土。建成了主跨分别为280m和320m的四川泸州磨刀溪大桥及广安官盛渠江大桥，主拱钢管内灌注C120自密实混凝土，再外包C55钢筋混凝土。还建成了主跨365m的四川广元昭化嘉陵江大桥，主拱钢管内灌注C80自密实混凝土，再外包C55钢筋混凝土。以及正在建设主跨510m的四川西宁河大桥，主拱钢管内灌注C120自密实混凝土，再外包C55钢筋混凝土。

复合桥墩  可抗强震

以钢管及连接腹杆作为桥墩的框架结构，先期分段安装桥墩的框架结构，然后在钢管内灌注强度不低于C70自密实混凝土，形成钢管混凝土桁式框架结构。以钢管混凝土桁式框架结构为施工支架，外包强度等级不高于C30的钢筋混凝土（收缩徐变量小，防裂性能好），其外包钢筋混凝土厚度一般小于50cm，作为抗剪连接墙体，形成钢管混凝土复合结构桥墩，如图15所示。

图15 钢管混凝土复合结构桥墩

钢管混凝土复合结构桥墩一般适用于桥墩高度≥80m、设防地震烈度大于VII度的桥墩和索塔结构。根据已建工程的理论和实测研究，与钢筋混凝土桥墩相比，在E2地震作用下，它的地震内力减少20%～50%，具有显著的技术和经济优势。

采用钢管混凝土复合结构桥墩技术，建成了主墩高度87m的四川雅西高速公路唐家湾大桥、主墩高度157m的雅西高速公路黑石沟大桥、主墩高度183m的四川雅西高速公路腊八斤大桥，以及正在建设的主墩高度196m的四川凉山金阳河大桥。

1.与钢筋混凝土主拱相比，钢管混凝土桁式主拱强度提高50%；而与钢筋混凝土桥墩相比，钢管混凝土复合结构桥墩的强度提高80%。

2.钢管混凝土桁式主梁与钢筋混凝土主梁相比，其总体重量减少37%；当桥墩高度≥160m、设防地震烈度为IX度时，钢管混凝土复合桥墩的总重量只是钢筋混凝土桥墩总重量的48%。

3.与钢结构主拱相比，钢管混凝土桁式主拱的竖向刚度提高20%；钢管混凝土拱桥主梁与钢拱桥、斜拉桥、悬索桥主梁的竖向刚度之比为1：0.7，0.17:0.07；而与钢结构主梁相比，钢管混凝土桁式主梁的竖向刚度提高2.6倍；钢管混凝土复合桥墩的水平刚度则比钢结构桥墩提高3.1倍。

4.钢管混凝土拱桥与钢拱桥相比，其临时设施费用和造价分别减少32%和47%，工期则缩短28%；而与钢筋混凝土拱桥比较，它的全桥无需模板及钢筋绑扎。

5.钢管混凝土桁式梁桥与预应力混凝土梁桥的造价基本相当；当桥墩高度为80m、设防地震烈度VI度时，钢管混凝土复合桥墩与钢筋混凝土桥墩的造价亦相差无几。