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出版者:人民交通出版社

作者:陈宝春编著

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isbn号码:9787114034749

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钢管混凝土拱桥设计与施工 概述 钢管混凝土拱桥，作为一种集优越的结构性能与精湛的建筑美学于一体的桥梁形式，在现代桥梁工程领域扮演着越来越重要的角色。它巧妙地将钢管的抗拉、抗压能力与混凝土的优良抗压、填充性能相结合，形成了一种高效、可靠、美观且经济的结构体系。本书旨在全面深入地探讨钢管混凝土拱桥的设计原理、结构特点、施工工艺及其关键技术，为桥梁工程师、技术人员以及相关领域的研究者提供一份详实而系统的参考。 第一章：钢管混凝土拱桥的起源与发展 1.1 历史溯源与概念萌芽 追溯钢管混凝土拱桥的起源，可以发现其根源可以追溯到早期对复合材料结构性能的研究。随着钢材和混凝土技术的不断发展，人们开始探索如何将两者的优势进行最佳结合，以克服单一材料的局限性。早期的一些实验性结构和桥梁设计，虽然形式上可能不完全是现代意义上的钢管混凝土拱桥，但已经体现了将钢材作为外壳包裹填充混凝土的初步构想。 1.2 技术革新与兴起 进入20世纪后期，随着材料科学、焊接技术、混凝土配合比优化以及计算力学方法的进步，钢管混凝土技术逐渐成熟。特别是钢管混凝土柱在建筑工程中的成功应用，为钢管混凝土拱桥的出现奠定了坚实的基础。工程师们开始尝试将这种复合材料应用于跨度更大的结构，并将其与拱桥这一经典的桥梁形式相结合，以期获得更高的承载能力、更长的跨度以及更优的经济效益。 1.3 发展趋势与特点 钢管混凝土拱桥的发展呈现出几个显著的趋势。首先，其跨度在不断增大，挑战着传统拱桥的极限。其次，结构形式日益多样化，出现了多种创新的组合形式，以适应不同的地理环境和功能需求。其突出的特点在于： 高强度与高刚度： 钢管提供强大的约束作用，使得内部混凝土能够承受更高的压力，同时钢管自身的高强度和高刚度也保证了整体结构的稳定性。 优良的耐久性： 钢管对混凝土形成有效的保护层，隔绝了外界水分、氯离子等的侵蚀，显著提高了混凝土的耐久性，延长了桥梁的使用寿命。 施工便捷性： 钢管作为构件，可以提前在工厂预制，精度高，运输和吊装方便，大大缩短了现场施工周期，尤其适用于地形复杂的区域。 美学价值： 钢管圆润或具有棱角的几何外形，搭配混凝土填充，能够形成简洁、流畅、现代的视觉效果，成为城市景观中的一道亮丽风景线。 经济性： 尽管初期材料成本可能较高，但由于其高强度、长寿命、低维护以及施工效率的优势，整体的生命周期成本具有竞争力。 1.4 国内外应用现状 在全球范围内，钢管混凝土拱桥的应用日益广泛，尤其是在亚洲，中国、日本等国家在钢管混凝土拱桥的研发和应用方面处于领先地位，建造了众多世界级的钢管混凝土拱桥。欧洲和北美地区也开始积极推广和应用这一技术。这些成功的工程案例不仅验证了技术的可靠性，也为未来的设计和施工积累了宝贵的经验。 第二章：钢管混凝土拱桥的设计原理与结构体系 2.1 基本受力机理 钢管混凝土拱桥的核心在于其独特的受力机理。拱桥本身是一种主要承受压应力的结构形式，能够有效地将垂直荷载转化为水平推力传递到桥台。而钢管混凝土的引入，进一步优化了这种受力方式： 拱管的受力： 钢管作为受压构件，其抗压强度远高于普通混凝土。同时，在荷载作用下，钢管对外围混凝土产生径向约束，有效地提高了混凝土的抗压强度和延性。 混凝土的填充作用： 内部填充的混凝土不仅能够承受大部分的压力，还能够填充钢管内部的空腔，增加结构的整体刚度，并对钢管起到侧向支撑作用，防止钢管在受压时发生屈曲失稳。 协同工作： 钢管与混凝土之间形成良好的粘结，共同承担荷载，实现高效的协同工作。当荷载施加时，钢管和混凝土各自发挥其优势，共同抵抗外力。 2.2 主要结构形式 钢管混凝土拱桥的设计形式多种多样，可以根据不同的跨度、地形、荷载条件和美学要求进行选择和创新。常见的结构形式包括： 钢管混凝土桁架拱桥： 将钢管混凝土作为桁架的主要杆件，形成三角形或其他稳定结构单元。这种形式在保证强度的同时，也能实现较大的跨度。 钢管混凝土实心拱桥： 钢管内部完全填充混凝土，形成一体化的拱肋。这种形式结构简单，受力明确，适用于中等跨度。 钢管混凝土箱型拱桥： 采用钢管构成箱型截面，内部填充混凝土。箱型截面具有更高的抗扭刚度，适用于大跨度和复杂的受力情况。 组合式钢管混凝土拱桥： 将钢管混凝土与其他结构形式（如钢桁架、混凝土拱肋等）结合，以达到最优化的设计效果。例如，钢管混凝土作为主拱肋，外侧再辅以钢桁架以增加刚度和美观性。 新型钢管混凝土拱桥： 随着技术的发展，不断涌现出如钢管混凝土系杆拱桥、钢管混凝土上承式拱桥等新型结构形式，拓展了钢管混凝土拱桥的应用范围。 2.3 关键设计参数与计算方法 钢管混凝土拱桥的设计需要考虑一系列关键参数，并采用相应的计算方法： 钢管规格： 包括钢管直径、壁厚、钢材牌号等，直接影响其承载能力和屈曲稳定性。 混凝土配合比： 需要选择高强度、高抗裂性、适宜的施工性能的混凝土，并根据钢管的约束作用进行优化。 钢管与混凝土的界面粘结： 界面粘结的强度和可靠性直接影响两者之间的协同工作。 拱肋截面形式与尺寸： 根据跨度、荷载和结构形式确定拱肋的几何尺寸。 连接节点设计： 钢管与其他构件（如拱脚、吊杆、横向联系等）的连接节点是结构安全性的重要环节。 稳定性验算： 重点验算拱肋在轴压作用下的整体稳定性，包括局部屈曲和整体屈曲。 疲劳验算： 对于承受动荷载的桥梁，需要进行疲劳强度验算。 非线性分析： 对于复杂结构或大跨度桥梁，通常需要采用非线性有限元分析方法进行精确计算。 规范与标准： 设计必须严格遵循国家及行业相关的桥梁设计规范和技术标准。 2.4 设计中的创新与挑战 在钢管混凝土拱桥的设计过程中，工程师们不断寻求创新，以应对日益严峻的工程挑战。例如，采用新型高强度钢材，优化混凝土配合比以获得更高的性能，以及探索更轻巧、更稳定的结构形式。同时，设计中也面临一些挑战，如大跨度下的稳定性控制、高强度材料的连接难题、以及如何更好地实现结构的美学价值等。 第三章：钢管混凝土拱桥的施工工艺与关键技术 3.1 施工前的准备工作 完善的施工前准备是确保钢管混凝土拱桥施工顺利进行的基础： 详细的施工图审核与会审： 确保设计图纸的准确性和可执行性。 施工组织设计： 制定详细的施工进度计划、资源配置方案、质量控制措施和安全保障措施。 现场勘察与测量： 对施工现场的地形、地质、水文条件进行详细勘察，并进行精确的控制测量。 材料采购与检验： 严格按照设计要求采购钢管、钢筋、水泥、砂石等材料，并进行严格的质量检验。 施工设备选型与调试： 根据工程规模和特点，选择合适的施工设备（如塔吊、龙门架、贝雷架、模板、混凝土泵等），并进行调试。 3.2 钢管构件的加工与连接 钢管构件的加工精度和连接质量直接关系到整体结构的承载能力和稳定性： 钢管的加工： 包括钢管的下料、坡口加工、弯曲成型（如需要）等，要求精度高，表面平整，无损伤。 钢管的焊接： 采用先进的焊接工艺（如埋弧焊、药芯焊丝焊等），保证焊缝的强度、严密性和外观质量，并进行焊前、焊中、焊后检查。 钢管与钢管的连接： 通常采用焊接或法兰连接，设计时需要充分考虑连接部位的强度和传力方式。 钢管内部的清洁与防腐： 施工前需要对钢管内部进行清洁，清除油污、杂物等，并进行必要的防腐处理。 3.3 钢管拱肋的架设与支撑 钢管拱肋的架设是钢管混凝土拱桥施工中最具挑战性的环节之一： 架设方案的选择： 根据桥梁跨度、地形条件、施工能力，选择合适的架设方案，如： 整体吊装法： 将预制的钢管拱肋整体吊装到位，适用于中小型桥梁或地形开阔的区域。 分节拼装法： 将钢管拱肋分节在架体上或桥面上拼装，然后逐节向上架设，适用于大跨度桥梁。 滑移法： 利用滑移设备将钢管拱肋从一侧向另一侧推出或拉入。 顶推法： 从一端开始，利用液压千斤顶将钢管拱肋逐步向前推进。 缆索吊装法： 利用临时的缆索系统将钢管拱肋提升到位。 临时支撑与导向系统： 在拱肋架设过程中，需要设置可靠的临时支撑系统，以保证拱肋在施工过程中的稳定。导向系统用于控制拱肋的线形。 高空作业安全： 高空作业安全是重中之重，需要严格遵守安全操作规程，配备完善的安全防护措施。 3.4 混凝土的浇筑与养护 钢管混凝土的浇筑是钢管混凝土拱桥施工的关键工艺，需要特别注意： 混凝土配合比的优化： 考虑钢管的约束作用，选择具有良好流动性、低泌水性、高早期强度的混凝土配合比。 浇筑方式： 通常采用自上而下或分层浇筑的方式。对于大直径的钢管，可能需要采用特殊的方法，如二次灌注或真空灌注。 振捣与捣实： 保证混凝土密实，避免产生蜂窝、麻面等缺陷。 钢管内部压力监测： 在浇筑过程中，需要监测钢管内部的压力，及时调整浇筑速度和方式。 混凝土的养护： 采取有效的养护措施，保证混凝土达到设计强度，防止开裂。 钢管内部混凝土质量控制： 确保混凝土填充饱满，无空隙，与钢管结合紧密。 3.5 拱脚、桥台及其他附属结构施工 拱脚设计与施工： 拱脚是传递拱肋巨大水平推力的关键部位，设计和施工要求极高，需确保其稳定性和耐久性。 桥台与基础施工： 桥台和基础的设计与施工需要充分考虑拱桥的水平推力以及其他荷载。 系杆、吊杆及横向联系施工： 根据设计要求，进行系杆、吊杆（如存在）以及横向联系构件的安装和连接。 3.6 施工中的质量控制与安全管理 质量控制： 建立完善的质量保证体系，从原材料、半成品到成品，进行全过程的质量监控。关键工序（如焊接、混凝土浇筑）需要进行严格的检验和评定。 安全管理： 始终将安全放在首位，制定详细的安全技术交底，配备专业安全管理人员，加强现场安全监督，定期进行安全检查和隐患排查。 第四章：钢管混凝土拱桥的检测与维护 4.1 结构健康监测 为了及时掌握桥梁的运行状况，保障桥梁安全，可以对钢管混凝土拱桥进行结构健康监测： 传感器布设： 在关键部位（如拱肋、拱脚、连接节点等）布设应力、应变、位移、温度等传感器。 数据采集与分析： 定期采集监测数据，进行分析，评估桥梁的承载能力和结构安全性。 预警系统： 建立预警机制，当监测数据显示异常时，及时发出警报，采取相应的处置措施。 4.2 定期检测与评估 外观检查： 定期对桥梁进行外观检查，发现表面裂缝、锈蚀、混凝土剥落等现象。 内在检测： 采用超声波、回弹仪、钻芯取样等方法，检测混凝土的强度和密实度。 无损检测： 对钢管焊接部位进行无损检测，评估焊缝质量。 荷载试验： 在必要时，对桥梁进行静载或动载试验，评估其实际承载能力。 结构评估： 基于检测结果，对桥梁的健康状况进行综合评估，并提出维护建议。 4.3 病害的预防与处理 锈蚀防护： 定期检查钢管表面的防腐涂层，及时进行修补和重新涂刷。 裂缝处理： 对发现的裂缝，根据其性质和发展趋势，采取灌浆、封堵等措施进行处理。 混凝土剥落与损坏： 对混凝土剥落或损坏部位，进行凿除、修补。 连接部位维护： 关注钢管与混凝土之间的连接，以及钢管之间的焊接部位，及时进行检查和维护。 4.4 维护与加固技术 日常维护： 保持桥梁的清洁，清除垃圾和杂物，确保排水系统的畅通。 定期维修： 根据检测评估结果，进行必要的维修，延长桥梁使用寿命。 加固技术： 当桥梁出现严重病害或荷载增加时，可以根据实际情况，采用粘贴碳纤维、增加截面、或对钢管进行补强等技术进行加固。 第五章：钢管混凝土拱桥的经济性与环保性分析 5.1 经济效益评估 初期投资： 考虑钢管、混凝土、焊接、架设等成本。 运营维护成本： 钢管混凝土结构的耐久性，可显著降低维护费用。 使用寿命： 钢管混凝土拱桥的设计寿命长，可摊薄初期投资。 施工效率： 缩短施工周期，降低人工和管理成本。 5.2 环境影响与可持续性 材料选择： 优先选用环保型材料，优化配合比，减少有害物质排放。 施工过程： 优化施工工艺，减少对周边环境的干扰，控制粉尘和噪声污染。 景观融合： 钢管混凝土拱桥的美学设计，有助于与自然环境和城市景观融合，提升整体环境品质。 生命周期评估： 从材料生产、施工、运营到拆除的整个生命周期，进行环境影响评估，追求可持续发展。 结语 钢管混凝土拱桥以其独特的优势，正日益成为现代桥梁工程的重要组成部分。本书从起源发展、设计原理、施工技术到检测维护，对钢管混凝土拱桥进行了较为全面的阐述。希望通过本书的介绍，能够为相关工程技术人员提供有益的参考，推动钢管混凝土拱桥技术的不断进步与创新，为社会交通建设贡献更多优质、美观、耐久的桥梁工程。

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这本书简直是打开了新世界的大门，对于任何想要深入了解桥梁工程，尤其是钢管混凝土结构的朋友来说，这都是一本不可多得的宝典。我之前对这方面的知识只停留在皮毛阶段，很多专业术语和设计理念总是模模糊糊的。但是，拜读了这本书之后，我感觉自己的知识体系被系统地梳理了一遍。作者的叙述方式非常清晰，从最基础的材料特性讲起，层层递进地探讨了拱桥的力学分析，以及关键的施工环节。特别值得称赞的是，书中对各种复杂荷载作用下的结构响应分析得非常透彻，图文并茂的插图和详实的计算案例，让原本枯燥的理论变得生动起来。我尤其欣赏作者在设计理念上所展现出的创新思维，如何在保证结构安全和耐久性的前提下，实现经济性和美观性的完美结合。读完后，我不再是机械地套用公式，而是真正理解了为什么要在特定部位采用钢管混凝土组合结构，以及如何通过优化设计来提升整体性能。这本书不仅是技术指南，更像是一位经验丰富的老工程师在耳边谆谆教诲，让我对未来的工程实践充满了信心。

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我必须说，这本书的编排逻辑简直是艺术品级别的。它没有采用传统的教科书式章节划分，而是围绕着“从概念到落地”的主线索展开，使得阅读体验极为流畅。初学者可能会觉得某些力学推导略显深奥，但只要坚持读下去，就会发现作者在关键转折点总会提供通俗的类比或实际工程中的案例来辅助理解。我个人特别喜欢其中关于新型连接节点设计的探讨部分，这直接反映了作者对行业前沿技术的敏感度和掌控力。书中对有限元分析结果的解读也十分到位，没有停留在软件输出的表面数据，而是深入挖掘了背后的物理意义，这对于我们进行结构优化设计极大地启发。总而言之，这本书的价值在于它成功地架起了一座从基础理论到尖端工程实践的桥梁，使得复杂的工程问题可视化、可操作化。它不是简单的知识堆砌，而是一套完整的、可复制的思维框架。

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这本书的阅读体验，很大程度上取决于读者自身的知识储备。如果把工程知识比作一座高楼，那么这本书无疑是支撑起主体结构的核心钢架。对于那些在设计院摸爬滚打多年，渴望突破技术瓶颈的资深人士而言，这本书无疑提供了突破性的视角。我个人对其中关于抗震性能评估的那几章印象极其深刻，作者结合了近年来发生的重大地震案例，对既有设计规范进行了审视和反思，并提出了更具前瞻性的设计建议。这种批判性思维和与时俱进的精神，是任何静态的规范手册所无法比拟的。它迫使我重新审视自己以往的设计习惯，去思考那些“约定俗成”的做法是否真的最优。全书的语言风格沉稳、精确，没有多余的修饰，每一个句子都承载着厚重的技术分量，让人在阅读时必须全神贯注，不敢有丝毫懈怠，生怕错过任何一个关键的参数或结论。

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这本书带给我的震撼是系统性的，它让我对钢管混凝土拱桥这一结构形式有了全新的认识和敬畏。我过去总觉得这类桥梁的设计充满经验主义色彩，但阅读后才发现，其背后蕴含着极其严谨的科学原理和精妙的结构控制手段。作者对施工过程中的“活荷载”和“环境荷载”的相互作用分析尤为精彩，这在许多标准教材中往往被简化处理。书中对钢材与混凝土界面的协同工作机制的深入探讨，以及如何通过预应力或后张法来优化这种协同效应，简直是工程美学的体现。我发现这本书不仅适合桥梁工程师，对于结构力学、材料学背景的学者也极具参考价值。它清晰地展示了如何将晦涩的理论转化为可靠、耐久的宏伟工程，是技术深度与工程实践完美结合的典范，无疑将成为我未来职业生涯中需要时常翻阅的案头必备良书。

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读完这本厚厚的专著，我的第一感受是“专业”到令人敬畏，但同时又充满了实践的温度。它绝不是那种空泛地谈论理论的书籍，而是真正沉浸在工程细节之中的深度剖析。我关注到书中花了大量篇幅去描述钢管混凝土在不同环境条件下的长期性能表现，这对于桥梁的服役安全至关重要。作者对于施工控制的关注点非常精准，比如钢管的防腐处理、混凝土的灌注密实度控制，这些在实际现场最容易出问题的地方，书中都给出了详尽的解决方案和质量控制标准。那些复杂的应力集中区域的处理手法，简直是教科书级别的范本。我甚至能想象到建造者在现场克服重重困难的场景。对于我们这些常年与结构打交道的工程师来说，这本书提供的不仅仅是知识，更是一种严谨的工作态度和对工程质量的极致追求。它的内容深度远超我以往接触的任何教材或手册，堪称是这一细分领域内的集大成之作，值得反复研读，每次翻阅都会有新的感悟。

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