四川西部的高原山区，由于地形复杂、地震频繁、地质条件多变以及气候条件恶劣等多种不利因素的共同作用，造就了一个极为复杂的工程建设环境。在这样的环境下，中等跨径的高墩桥梁数量尤为众多，其占总路线里程的40%，桥梁总长的90%。经过实践检验，这类桥梁在抗灾能力、材料使用效率、施工难度以及建设周期等方面均存在不足，难以满足高原山区短暂的有效施工时间需求。钢管混凝土结构因其自重较轻、承载能力强、无需使用模板、搭建便捷、对施工场地要求不高等多项优点，非常适合快速施工的需求。鉴于此，我们提出利用钢管混凝土材料来构建钢管混凝土桁架桥，以应对所面临的复杂建筑挑战。经过深入的系统性研究，我们成功研发出了适用于高原山区钢管混凝土桁架桥的快速建造核心技术。
应对复杂环境的建设方案
中等跨径的梁桥若使用钢筋混凝土构件，材料易发生脆性断裂，造成严重危害；同时，结构重量较大，地震作用下反应强烈，抗震稳定性不足。从材料、结构和体系三个层面来看，这类桥梁难以满足复杂使用条件下的综合性能需求。据统计钢材切割机片，钢筋混凝土梁桥的混凝土用量大约为每公里若干吨，而我国砂石资源正逐渐减少，过度开采将对生态环境造成严重影响。此类梁桥建设所需的模板数量庞大，其运输、存放以及拆卸过程均需占用大量空间和时间，导致施工效率难以得到有效提高。
常规中等跨径的钢结构梁桥虽然抗震性能优良，但钢材的使用量较大，导致成本较高；在山区，交通运输通道相对狭窄，预制的钢结构大节段难以运输；此外，现场也缺乏大型组拼所需的场地。此类梁桥建设工地中，连接作业量庞大，质量控制步骤繁复，且正交异型桥面板的抗疲劳性能较弱，桥面铺设的抗久性不佳，对于山区中数量众多但规模较小的工程项目来说，质量控制面临更大的挑战，社会难以承受频繁中断交通进行桥梁维修的现实，对桥梁通车和运营产生的影响将更为显著。
鉴于建设条件之复杂，考虑到钢管混凝土的诸多优点，如自重较轻、强度显著、无需模板、安装便捷、对施工场地要求不高，故提出使用该材料来构建钢管混凝土桁梁桥，旨在实现快速施工，并克服因建设条件复杂而产生的诸多挑战。
面临诸多技术难题
首次将钢管混凝土材料应用于中等跨径的梁式桥梁建设，构建了一种全新的结构体系；在这种复杂的建设环境下，我们首次尝试，遭遇了众多前所未有的技术挑战。
首先，在梁桥中使用钢管混凝土材料，能够构建出性能卓越的桥梁，但这一领域缺乏可供借鉴的成熟经验。其次，利用钢管混凝土材料建造抗震性能卓越、行车体验舒适且材料使用量节省的桥梁，目前尚无现成的结构体系可供参考。再者，将钢管（箱）混凝土组合构件用作弯拉受力结构，尚无先例可循，这需要我们进行创新性的开发与探索。第四，此类桥梁的显著特征在于其节点与接头数量众多，确保这些部位在受力，尤其是耐久性方面的优异表现，这是桥梁结构设计必须攻克的核心技术难题。第五，在地质灾害、地震灾害以及气候灾害频发的山区环境中，施工的有效时间极为有限，因此，如何充分利用这有限的施工时间，高效且高质量地完成建设任务，成为了亟待解决的关键技术挑战。因此，通过在复杂建设环境中对钢管混凝土桁梁桥的关键技术进行深入研究与攻克，成功构建了钢管混凝土桁梁桥快速施工的核心技术体系。
核心技术
新结构的开发
在钢筋混凝土桩基或扩大的基础之上，地面部分使用钢管混凝土制成的桥墩，并通过管桩的连接节点与基础相接；某些桥墩则使用先张法预制的预应力钢箱混凝土结构作为承梁，通过管梁的连接节点实现连接；桥梁的主梁采用了钢管混凝土的桁架结构，借助研发的变刚度支座，稳固地支撑在钢管混凝土桥墩或承梁之上；同时，将带有钢底板的钢-混凝土复合桥面板，通过管板连接节点与主梁的纵向梁锚固在一起，构成了具有双主纵梁的钢-混凝土复合桥面板。
这种新型的钢-混凝土组合结构，混凝土浇筑是在钢管（箱）内部或是钢板上直接进行，无需使用模板；所有的钢结构部件均是在工厂内进行加工制作，现场只需进行组装或整跨安装，随后浇筑混凝土，便可完成桥梁的施工。这样的施工方式不仅保证了质量的可控性，而且施工现场的作业量不到20%，施工效率显著提高。
新体系的开发
山区地形若为V形或U形，使得梁式桥的每联桥中心距离越远，桥墩的高度相应降低，同时刚度增强。使用等刚度支座来支撑主梁，随着距离每联桥中心的增加，支座与桥墩的刚度总和也随之增大，这种刚度与主梁的变形趋势相反。在支座使用初期，由于剪力过大，可能会发生剪切破坏；或者在地震等极端荷载作用下，桥墩可能会过早坍塌。
变刚度支座的设计理念在于，依据桥墩的刚度和所处位置，有针对性地确定支座的刚度值。这样，支座与桥墩结合后的整体刚度，会与支座至本联桥变位中心点的距离形成反比关系。通过调整支座的刚度，可以主动分配各桥墩在温度、制动力、地震等外力作用下的内力。这不仅能够延长每联桥梁的分联长度，还能让更多的桥墩共同承担水平分力。因此，可以有效地减小下部结构的尺寸，并节约材料。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
新构件的研发
钢管或箱型混凝土构件在承受压力时，其承载能力可提升至原来的2.5倍，然而，在弯曲和拉伸的工况下，由于混凝土的拉伸强度不足，钢管或箱型构件与混凝土难以实现有效的协同受力，从而难以提升弯曲拉伸的承载能力。为了克服组合结构在弯曲拉伸承载能力方面的难题，经过广泛的试验与实际应用研究，本研究团队提出了预应力钢管或箱型混凝土构件这一新型结构形式。
预应力钢管混凝土构件和预应力钢箱混凝土盖梁构件，通过将钢管（或钢箱）本身作为反力支撑，运用先张法施加预应力，从而在钢管（或钢箱）内储备预应力。随后，将混凝土注入钢管（或钢箱）中，待混凝土强度达到设计要求，再放松张力，最终形成预应力钢管（或钢箱）混凝土结构，确保钢管（或钢箱）与混凝土共同承担荷载。试验结果揭示，在弯拉荷载作用下，预应力钢管或箱型混凝土构件的变形呈现出良好的协调性和一致性；此外，这种结构展现出较高的承载能力、较大的刚度、优良的塑性和出色的抗震性能。
图2 预应力钢管（箱）混凝土构件
新节点的研发
管-管节点包括管-管对接接头和管-管相贯节点，这些节点的结构设计简便且成本相对较低；为了增强其疲劳寿命，相关研究工作已经展开。经过试验研究，我们制定了提升管-管相贯节点抗疲劳性能的系列构造参数，包括壁厚比（t/T不大于0.7）、管径比（d/D不低于0.4）以及径厚比（D/T不大于50）；依托工程实施经验，明确了管-管节点和接头加工制造的技术规范，并确立了使用专用的相贯线切割机进行下料和成形加工，合理调整焊口间隙尺寸，实施全熔透焊接，确保焊缝外观成型质量等技术装备；模型试验进一步表明，焊后对焊缝进行打磨处理，有助于控制表面焊接缺陷，从而至少提升50%的疲劳寿命；同时，在主管和支管内注入混凝土，能有效增强相贯节点和对接接头的疲劳强度，并延长其疲劳寿命。
图3 管-管节点构造
图4 相贯节点S-N曲线
管桩接头部分是桥墩在地震中发生塑性铰的关键区域钢材切割机片，其构造和承载能力是确保桥梁安全的核心技术之一。为此，我们提出了以下几种方案：一是采用插入式带孔钢板剪力键；二是通过在钢管壁上开孔并穿过钢筋；三是将桩基主筋与钢管外壁进行焊接；四是于钢管外部增加环向箍筋；五是设置局部受力钢筋网片；六是外套护筒以形成约束钢管的组合结构。计算结果显示，该节点的抗震安全系数已提升至8.0，接头安全性得到显著增强，因此得以取消地系梁的使用。此举不仅简化了山区陡坡地形的施工过程，还开辟了新的技术路径。
图5 管-桩接头构造
管-板节点处，主桁的支撑管道与上弦的钢管通过焊接相连，同时在两侧上弦管上焊接带有孔洞的节点板，从而构成一个完整的受力节点。此节点被嵌入桥面板的纵向梁中，确保了稳固的锚固连接。经过试验和计算，该节点的最小安全系数为1.51，这一数值超过了结构设计所预留的安全余量。
图6 管-板节点构造
桥墩的墩柱与盖梁相接处，运用了管-梁连接方式。在这一连接节点中，配置了带有孔洞的锚板、抗剪钢筋以及外焊接的加劲钢板。由于该节点主要承受偏压荷载，因此其结构构造具有较高的安全性，完全符合结构安全性和耐久性的要求。
图7 管-梁节点构造
快速施工
借助钢管混凝土桁梁桥的优越结构特性，进行工序与工艺的合理搭配设计，从而实现施工的高效进行。该桥所使用的全部钢结构，均集中在一个气候宜人、场地宽敞且生活条件优越的城镇区域内的工厂进行加工与制造。加工制造遵循以下流程：首先，利用采购的钢板进行下料并加工成单个部件；接着，将这些单元件组拼成桁片；然后，将这些桁片组装成节段；随后，将这些节段匹配成完整的跨梁或整体的大构件，如桥墩构件；在精度检验达标后，再将这些构件拆卸成符合道路运输空间要求的运输单元件；最后，利用运输车辆将这些单元件运送至桥梁施工现场的匹配场地。将单元件运送至施工现场，随后在桥头路基等适宜场地，将其组装成待安装的整跨主梁或整体大构件（如桥墩构件）。在此场地内，进行钢束张拉、混凝土灌注以及涂装车间的涂装等工序。在加工、组装及涂装质量均达到规定标准后，使用胶轮运输专用车辆将构件运送至预定安装的桥跨位置。接着，运用专门研发的整跨安装架桥机，将桥跨准确安装至设计指定位置。现场施工受气候因素影响较小，其有效作业时长较长；而混凝土浇筑则易受气候影响，施工效率相对较低；鉴于此，我们设计的安装方案是：不进行混凝土桥面板的浇筑，而是直接安装主梁；等到气候条件适宜时，再统一浇筑桥面板的混凝土，从而提升了施工效率。
应用前景
钢管混凝土桁梁桥在重量上比预应力混凝土简支桥减轻了约51%，同时其抗震安全性提升了约3至5倍；在主梁刚度方面，相较于钢结构梁桥，提高了约2.6倍，且钢材用量减少了超过38%，运输和安装过程也更加便捷，整体技术指标表现出色。钢管混凝土桁梁桥的造价与预应力混凝土简支桥相当，而与钢结构梁桥相比，其投资减少了大约40%。
图8 经济技术指标
钢管混凝土桁梁桥在结构设计上，其上部和下部的钢材使用总量为224千克每平方米，混凝土材料的使用量为0.78立方米每平方米。相较于钢筋混凝土梁桥，此类桥梁的混凝土用量降低了55%，有效缓解了砂石资源短缺的施工难题。此外，80%的施工工序在工厂内完成，现场施工仅占20%，这不仅加快了安装速度，还大幅减少了现场所需的场地。当桥梁达到设计的使用寿命后，拆卸过程简便，且拆卸下来的钢材可以回收再利用，用于冶炼或建造新的桥梁，实现了资源的循环利用，是一种低碳、环保、节能的桥梁类型。
我国西部的高原山区地域宽广，经济基础较为薄弱，贫困人口较为集中，尽管如此，这里资源丰富，战略地位显要。正因如此，它已逐渐成为现代高速公路和国省干道建设的主要战场；中等跨径的高墩桥梁市场潜力巨大。钢管混凝土桁梁桥作为一种专为解决此类地区复杂建设条件而研发的新型桥梁，其应用前景十分广阔。
本文刊载 / 《桥梁》杂志
2022年 第6期 总第110期
作者/康玲 王轩 牟廷敏
作者单位/
