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钢管混凝土是一种轻质、高强、延性好的工程材料，近30年来用钢管混凝土建设的桥梁达450余座，其中拱桥最大跨度575 m，悬索桥最大跨度1 030 m，组合桥墩（塔）最大高度196 m。针对钢管混凝土桥梁静力计算方法、构造设计、施工方案等技术，行业内科研院所已开展了研究。随着现代公路向地形地质复杂、地震烈度高的山区发展，桥梁规模不断挑战新高度、新跨度，面临的抗震防灾技术难度显著提升，也使轻质、高强、延性好的钢管混凝土桥梁更具竞争力。但是，钢管混凝土桥梁抗震性能与防灾技术在交通行业内研究较少。
钢筋混凝土材料延性差，结构抗震研究以强度和位移为控制指标，较少从结构刚度匹配和体系整体协调开展研究，不仅塑性铰强度低、防震挡块难以限制抗震变形，且破坏部位不可控，桥梁抗震性能差。虽然钢管混凝土材料延性好，若沿用钢筋混凝土桥梁抗震研究思路，将不能准确揭示钢管混凝土桥梁的地震破坏机理和建立防灾技术，无法体现其优良的抗震性能。因此，从材料、结构、体系三个不同维度探索钢管混凝土桥梁的抗震性能，采用调查研究、计算分析、模型试验、实桥测试和实桥监测等技术手段研究解决以下问题：①钢管混凝土材料的抗震计算方法，与构件抗震性能匹配的节点计算方法，合理的抗震构造技术难题；②钢管混凝土主拱、桁式桥墩（塔）、组合桥墩（塔）、复合桥墩（塔）的抗震性能、评价方法和构造设计技术难题；③钢管混凝土桥墩（塔）结构形式与高度的匹配标准，钢管混凝土主拱、吊索与桥面梁合理组合体系，多跨连续变刚度长联结构体系，大跨高墩抗震位移控制体系等核心技术难题。在国家、省部级项目支撑下，开展了钢管混凝土桥梁抗震性能研究和工程实践，取得的主要成果有：
（1）研究了钢管混凝土单柱墩和墩桩节点抗震力学行为，建立了钢管混凝土单柱墩保持力的套箍约束系数和墩桩节点安全抗震极限承载力的计算方法，提出了提高节点极限承载能力的构造和钢管混凝土桥墩的构造。
（2）研究了钢管混凝土主拱、桁式桥墩（塔）、组合桥墩（塔）的抗震力学性能，提出了钢管混凝土主拱横撑与吊索、桁式桥墩（塔）总体与细节匹配，组合桥墩（塔）节段与连接抗震合理构造。
（3）提出了钢管混凝土桥墩（塔）高度、主梁跨度与适用桥墩（塔）形式的匹配原则，主拱、吊索、桥面梁约束抗震体系，多跨主梁与桥墩（塔）支座刚度匹配的抗震体系，多跨主梁单端桥台固结抗震体系，高墩大跨连续刚构桥纵横向抗震约束体系，实桥测试表明，钢管混凝土桥梁具有良好的抗震性能。
研究成果指导了全长6 430 m四川汶川克枯大桥、主桥墩高196 m四川凉山金阳县金阳河大桥、主跨200 m越南海防市防城港大桥、主跨160 m四川汉源兰家湾大桥等桥梁建设，桥梁最长服役时间超过6年，四川已建多座桥梁经历了多次大地震验证，抗震性能良好。
通过钢管混凝土多参数抗震模型试验（图2-143），揭示了抗震极限强度、延性发展与衰变历程，提出了极限强度不衰减和抗震位移修正的持续力计算方法，使桥梁结构在设防地震荷载下保持弹性工作状态，实现了抗震理念由“大震不倒”到“大震可修”的提升（图2-144）。
图2-143 模型试验
图2-144 钢管混凝土轴压 N-ε 全过程关系曲线
材料抗震计算如下：
含钢率
套箍约束系数设计值
刚度修正系数 δ s ＝ K y δ j ≥1.55 δ j
基于试验数据分析总结，通过重要性系数的调整（表2-39），提出了地震作用时钢管混凝土桥梁构件与节点抗震极限承载能力一致的匹配计算方法： γ S ≤ R 。建立了不同地震组合作用方向抗力可靠性的计算方法。
表2-39 地震状况结构重要性系数
提出了在钢管混凝土节点主管灌注混凝土、设置带孔钢板加劲肋或栓钉等构造（图2-145），提高节点整体结构刚度、降低应力，解决了节点与构件安全度匹配的设计技术难题。提出了钢管混凝土柱与钢筋混凝土桩的钢混过渡节点连接构造（图2-146），保证了位于塑性铰区的节点始终处于弹性工作状态。
图2-145 钢管内栓钉和加劲肋构造
图2-146 墩、桩连接构造
（1）通过模型与实桥试验研究（图2-147），揭示了钢管混凝土主拱的抗震性能：①主拱具有良好的三向抗震性能和抗震极限承载潜力。②横向地震响应，拱顶＞1/4主拱＞拱脚（图2-148）；纵向地震响应，主拱整体均匀，且振动和应力峰值小。③横向与纵向地震组合控制主拱安全，但横向主导，体现为横向失稳破坏；刚度大的横撑与主拱连接处应力水平高，刚度匹配的横撑，主拱振动小、连接处应力相对较低（图2-149）。④钢管混凝土拱桥，主拱与悬吊桥面系振动异步，桥面梁振动小，对主拱具有减震作用，同时导致吊索与构造连接处的地震内力较大。
图2-147 主拱模型破坏形式
图2-148 位移响应（横向0.8 g ）
（2）建立了系列防灾技术：①提出了钢管混凝土主拱稳定、振动与横撑刚度的数学关系式：
图2-149 对横撑影响（横向1.2 g ）
Z ，该数学关系式表明，提篮式主拱（图2-150）拱顶横向刚度小，横向振动剧烈，因此，高烈度地震区应采用平行主拱的结构体系（图2-151）。②提出了大跨拱桥主拱肋在非吊索处，采用半加劲的横隔构造（图 2-152），吊索处采用全加劲的横隔构造（图2-153）。③提出了主拱组合式肋间横撑构造，使主拱受力均匀，降低了横撑与主拱连接处的地震应力峰值，提高了钢管混凝土拱桥的抗震能力。④提出了吊索抗震极限承载能力计算方法：吊索索体：1.8 N ≤ f pk A s ，吊索锚固处：3.0 N ≤ f pk A s 。保证了吊索抗震能力安全度的一致性。
图2-150 提篮式主拱
图2-151 平行式主拱
图2-152 主拱横向连接系构造
图2-153 主拱横隔构造
（1）抗震性能。通过抗震性能模型试验研究，取得的主要技术成果：①根据相似理论和测试数据，从振动加速度、位移与应力等指标验证了缩尺模型的准确性；通过有限元和模型试验对比分析，保证缩尺模型试验的可靠性。②模型试验表明，钢管混凝土桁式桥墩（塔）墩底横撑处为地震控制截面，混合桥墩（塔）的混凝土腹板过渡段为地震控制截面，钢筋混凝土墩的墩底（塑性铰位置）为地震控制截面。③钢管混凝土桁式桥墩（塔）和混合桥墩（塔）各截面均处于弹性状态，振动非线性引起的减震效果显著，抗震性能良好。
（2）建立了防灾技术。根据钢管混凝土桥梁抗震性能研究，提出的抗震防灾技术包括：①提出了钢管混凝土单柱式、桁式和混合式桥墩（塔）的结构构造；②提出了钢管混凝土桁式桥墩（塔）主管与支管直径比（ D / d ＝0.4~0.6）、桁间距（ H / B ≈1.0）、墩顶最小宽度（≥2.0 m）、纵桥向变截面坡度（1∶50~1∶70）以及过渡段腹板设置为变宽度的构造技术；③提出了主管与承台通过钢管预锚段设置锚孔和带孔加劲肋板的连接构造。
（1）地震模型试验。钢管混凝土组合桥墩（塔）抗震模型试验研究（图2-154），取得的主要技术成果：①纵、横桥向E2地震作用下，墩顶横向位移、墩底钢管应变、墩底外包混凝土应变的时程曲线（图2-155）与实桥有限元计算结果一致，墩顶加速度的横向放大系数约为5倍，纵向放大系数约为4倍；②在E2地震作用下，全截面始终处于弹性工作状态，钢管外包混凝土和钢筋混凝土腹板均未发现裂缝（图2-156）；③由于钢管混凝土骨架和外包钢筋混凝土极限承载能力不同，弹性阶段外包混凝土失效，骨架继续承受荷载；④组合高墩模型位移延性系数大于10，钢管混凝土组合高墩具有优良的抗震性能。
图2-154 组合式桥墩模型
（2）建立了防灾技术。钢管混凝土组合桥墩（塔）防灾技术：①通过结构刚度和体系刚度匹配论证，提出了采用加宽桥墩（塔）顶面横向尺寸，将主梁梁体全宽嵌于桥墩（塔）主钢管间，通过设置带孔钢骨架桁梁连接主钢管，并在主梁下设置支撑强健横梁，再穿钢筋浇注混凝土，形成整体墩-梁嵌固的连接构造（图2-157），其极限承载能力提高约2.2倍，实现了连接构造抗力与结构整体匹配。②桥墩（塔）截面内力随墩高减小，为了减少超高墩墩底与墩顶的内力差，提出了主管采用变直径的钢管混凝土组合截面结构（图2-158），应用于依托工程196 m超高桥墩（塔），减少地震内力差30％。
图2-155 墩顶响应位移时程曲线（0.35 g ）
图2-156 强度退化曲线
图2-157 桥墩骨架嵌固于主梁的连接构造
图2-158 变截面钢管混凝土组合柱的结构
（1）提出在钢筋混凝土箱形墩内壁设置多边形钢管（图2-159），在外表面设置竖向钢筋，焊接在钢管壁上的U形抗剪钢筋与外包钢筋混凝土形成组合截面共同受力（图2-160），减小了墩身壁厚，减轻了自重，有效降低了抗震设防成本。
图2-159 矩形钢管抗剪连接键
图2-160 复合矩形钢管构造
（2）结构抗震性能，地震荷载破坏形态（图2-161和图2-162）表明，复合矩形钢管混凝土桥墩（塔）为延性破坏，其力学模型如图2-163所示。建立了抗震极限强度计算方法。
大偏压
小偏压
图2-161 小偏心破坏形态
图2-162 大偏心破坏形态
图2-163 力学模型
（1）钢管混凝土组合桥墩（塔）分类标准：提出了钢管混凝土桥墩（塔）、组合桥墩（塔）和复合桥墩（塔）推荐使用的分类标准，见表2-40。
表2-40 钢管混凝土组合桥墩（塔）分类标准
（2）建立了钢管混凝土主拱抗震技术新体系（图2-164）：①设置吊索水平抗震索；②采用较大截面尺寸吊索（安全系数大于3）；③在交界墩上桥面梁内外边纵肋设置纵向限位减震装置；④在主拱与桥面梁交叉处，主拱侧面设置横向限位减震装置；⑤采用纵横格子梁和钢-混凝土组合桥面板的整体式桥面结构，提高了结构的整体性，减轻了自重，形成了主拱与吊索和桥面梁刚度匹配的抗震结构新体系。
（3）建立了长联变刚度梁式桥的抗震体系（图2-165）：提出了主梁分联长度大于200 m，使分联长度与桥墩（塔）高度匹配；采用限位弹性阻尼支座，使支座刚度与桥墩（塔）刚度匹配，形成了刚构-限位的梁式结构体系，保证了桥墩（塔）墩底抗震极限承载能力的一致，控制了桥梁振动位移，提高了桥梁抗震性能。
（4）建立了单端约束抗震体系（图2-166）：针对山区梁式桥，靠近桥台侧的地形陡峭，同联主梁内桥墩（塔）高度差异大的特点，提出了主梁与桥台固结，并在桥面与桥台位置设置假缝，另一端主梁设置伸缩缝。为桥梁结构体系提供了均衡的刚度，抗震安全系数提高1.6倍。
图2-164 钢管混凝土拱桥抗震体系示意
图2-165 长联变刚度梁式抗震体系示意
图2-166 单端约束抗震体系示意
（5）高墩长联窄桥抗震体系（图2-167）：依托工程桥墩（塔）高度达196 mm，整体联长达661 m，跨径达200 m，桥梁宽度仅14 m，基本地震烈度高达Ⅷ度，为了提高桥梁抗震设计强度和刚度，提出了以下创新技术：①横向强健性构造技术，桥墩（塔）横向设计为变宽度（ i ＝80∶1~60∶1），且墩顶横向尺寸大于主梁，将主梁梁体嵌于桥墩（塔）顶部；②纵向强健性构造技术，增加桥墩（塔）纵向宽度（1.1 B ~1.3 B ），同时，在桥台处设置纵向阻尼器。确保桥梁体系的纵向刚度满足地震位移控制设计需要，也相应降低了桥墩（塔）纵向地震力，提高了结构安全储备。
图2-167 高墩长联窄桥抗震体系示意（单位：m）
四川雅西高速公路干海子大桥2012年4月建成通车以来，经历了2013年雅安泸山“4·20”7.0级地震、2014康定“11·22”6.3级地震、2017年九寨沟“8·8”7.0级地震、2022年泸定“9·5”6.8级地震考验，经多次检测，干海子大桥横向实测与计算位移振动趋势一致，吻合度大于 0.92（图2-168），并处于安全状态，没有任何损伤。同时，四川雅安腊八斤大桥经历同样地震考验，监测桥梁地震数据与计算值完全吻合，满足抗震安全要求。
四川泸定南门关大桥，经历了2013年雅安泸山“4·20”7.0级地震、2014康定“11·22”6.3级地震、2017年九寨沟“8·8”7.0级地震、2022年泸定“9·5”6.8级地震考验，经多次检测，主拱横向位移实测与计算数据对比，其吻合度大于0.90（图2-169）。
图2-168 实桥横向计算与监测数据对比
图2-169 主拱监测与计算位移曲线对比
四川地处龙门山断裂带、鲜水河断裂带、安宁河断裂带三大断裂带上，高烈度地震频发。由于地形地质复杂，桥梁占路线里程的比重高，因此，科学、经济提高桥梁抗震性能具有重要工程价值和社会价值。通过多年研究，提出采用钢管混凝土延性材料，采用钢管混凝土主拱、桥墩（塔）和主梁等延性结构，采用“共同协作抗震”的结构体系思想等技术和相关的计算方法，从材料、结构和体系等方面，解决了安全可靠、资源节约、抗震性好、建设简便等桥梁抗震难题，为高地震烈度的复杂山区和高原桥梁建设提供了技术依据，该技术在未来公路桥梁建设市场应用广阔。