钢管混凝土哑铃形截面拱桥工程应用与设计参数分析的学习体会

文献概况与工程背景

本文由福州大学陈礼榕、陈宝春两位学者于2016年发表于《广西大学学报（自然科学版）》第41卷第1期。钢管混凝土哑铃形截面拱桥是近年来大跨径拱桥领域的重要创新，其截面由两个圆形钢管混凝土拱肋通过横向连接构件组合而成，形似哑铃。该截面形式兼具圆形截面的施工便利性和组合截面的力学优势，在国内外已建工程中得到广泛应用。该研究通过对大量已建哑铃形截面拱桥的统计分析，总结了主要设计参数的取值范围，为工程设计与研究提供了参考依据。

哑铃形截面的结构特点与受力机理

截面受力特点

哑铃形截面的核心优势在于其组合截面特性。两个圆形钢管混凝土拱肋分别承担拱肋的轴向压力和弯矩，横向连接构件（横撑或吊杆）将两个拱肋连接为一个整体，协调变形并传递剪力。这种截面形式使得拱桥的抗弯刚度显著提高，同时保留了圆形截面的抗扭性能和施工便利性。

钢管混凝土拱肋的约束效应

哑铃形截面中，每根圆形钢管混凝土拱肋内部的混凝土均受到钢管的环向约束。钢管在环向受拉状态下对混凝土施加径向约束压力，使混凝土处于三轴受压状态，其抗压强度和延性均显著提升。对于大跨径拱桥，拱肋主要承受轴向压力，钢管混凝土的约束效应使得混凝土充分发挥其抗压强度，钢管则承担部分轴向力和环向约束力，二者协同工作提高了拱肋的整体承载力和延性。

设计参数统计分析

矢跨比分析

统计分析表明，大多数哑铃形拱桥的矢跨比 $f/L$ 在0.20-0.25范围内，其中矢跨比为0.20的桥梁最多，约占桥梁总数的50%。矢跨比的选择需综合考虑结构受力、施工难度和经济性。矢跨比过小，拱肋轴向力增大，对基础要求更高；矢跨比过大，拱肋弯矩增大，截面尺寸需相应加大。矢跨比0.20-0.25的范围被认为是力学性能与经济性之间的最佳平衡点。

拱肋截面参数分析

拱肋跨高比 $L/h$ 主要分布在30-50范围，且随跨径增大而增大。这一规律反映了大跨径拱桥为控制长细比和稳定性而采取的截面加大策略。拱肋截面高宽比 $h/d$ 与跨径关系很小，不同跨径区间的哑铃形拱桥高宽比都集中在2.5左右，其中高宽比在2-3范围的桥梁占总数90%以上。高宽比2.5左右的截面在抗弯刚度和抗扭刚度之间取得了良好平衡。

施工方法分析

哑铃形截面拱桥的施工方法主要有以下几种：

1. 缆索吊装法：适用于大跨径拱桥，将拱肋分段加工后通过缆索系统吊装就位，逐段拼装连接。该方法施工速度快，但对吊装设备要求高。
2. 转体施工法：适用于两岸地形受限的拱桥，将拱肋在岸边预制完成后通过转体系统旋转就位。该方法对地形适应性强，但转体精度控制要求高。
3. 支架现浇法：适用于中小跨径拱桥，在支架上直接浇筑拱肋混凝土。该方法施工简单，但支架搭设成本高。
4. 悬臂拼装法：适用于大跨径拱桥，从桥墩向跨中逐段悬臂拼装。该方法无需支架，但需要临时锚固系统。

钢管制造与焊接质量控制

从钢管制造与焊接工程的角度，哑铃形截面拱桥对钢管的质量要求极为严格。拱肋钢管通常采用大直径无缝钢管或螺旋焊管，直径可达1.5m以上，壁厚12-30mm。钢管的制造质量直接影响拱肋的承载力和使用寿命。

钢管制造质量控制要点

钢管的外径偏差应控制在 ±1% 以内，壁厚偏差应控制在 ±10% 以内，圆度偏差应小于外径的1%。对于螺旋焊管，焊缝的无损检测覆盖率应为100%，采用射线检测（RT）或超声检测（UT）检查焊缝内部缺陷。钢管的表面质量应满足光滑度要求，无明显凹陷、凸起或划伤。

拱肋焊接质量控制

拱肋拼装焊接是施工中的关键工序。焊接接头通常采用现场对接焊，焊接方法根据板厚选择，薄板采用 GTAW（TIG焊），厚板采用 SAW（埋弧焊）或 FCAW（药芯焊丝焊）。焊接前应进行焊接工艺评定（WPS/PQR），确保焊接参数与母材匹配。焊接过程中应严格控制层间温度，避免热影响区（HAZ）的晶粒粗化和脆化。焊后应进行无损检测，包括外观检查、磁粉检测（MT）、超声检测（UT）和射线检测（RT），必要时进行硬度测试和拉伸试验。

学习心得与启示

该文献通过大量工程实例的统计分析，为钢管混凝土哑铃形截面拱桥的设计参数选择提供了实证依据。从钢管制造与焊接工程的角度，笔者深刻认识到，大跨径拱桥的钢管制造和焊接质量是整个工程安全性的基础保障。钢管的几何精度、材料性能和焊缝质量直接决定了拱肋的承载力和耐久性。哑铃形截面拱桥的成功应用，不仅是结构设计的创新，更是钢管制造、焊接工艺、施工技术和检测手段综合进步的体现。未来，随着大跨径拱桥向更大跨径发展，钢管的规格将进一步增大，焊接工艺将面临更大挑战，需要持续创新焊接技术和质量控制方法。