进入二十一世纪以来,国内经济发展迅速,城市化进程加快,对交通量的需求也与日俱增,使得修建更多车道的公路设施已成为必然的现实需求,但是扁平超大断面公路隧洞因跨度较大,支护结构的受力将变得更加复杂,特别是在松软、破碎、膨胀性大的软弱围岩地层,以及高地应力的大变形隧道中,对支护结构的承载能力提出了更高的要求。我国公路隧道基本采用新奥法施工,格栅钢架和型钢钢架在实际施工和支护效果上都存在一些问题,为应对地层更加复杂的超大断面公路隧道工程,需要寻求一种性能更加优越的拱架支护结构。钢管混凝土是一种钢-混凝土组合结构,是在钢管中充填混凝土而制成,核心混凝土受钢管的套箍约束作用,钢管受核心混凝土内部的支撑作用,使得钢管混凝土具有承载力高、塑性和韧性好、经济效益好的优点,并且该结构已在在高层建筑、桥梁、地下结构及港口工程等得到了广泛引用,取得了巨大效益。本文总结钢管混凝土在模型试验和数值方面的研究成果,以钢管混凝土压弯模型试验为切入点,并以数值模拟深化模型试验结论,分析钢管混凝土压弯承载力影响因素,总结钢管混凝土变形、破坏特征,最后通过数值模拟探究了钢管混凝土支护结构的承载特性,并与常用的工字钢拱架支护结构进行对比分析。主要得出以下结论:(1)钢管混凝土直径、钢管壁厚、含钢率等并不能准确地表征钢管混凝土结构承载性能,钢管对钢管混凝土的承载力贡献率最大,可以用钢管的几何参数来表征钢管对钢管混凝土承载力,其中采用钢管的抗弯截面系数更为合理。(2)核心混凝土主要承受压力,其力学性能表现出明显的弹塑性特征。在弹性阶段,核心混凝土压应力与荷载呈现大致的线性关系;在塑性阶段,核心混凝土压应力明显增大,较小的荷载增量都能引起较大的应力增加;在破坏阶段,其压应力仍然在急速增加,表明虽然核心混凝土已经破坏,但是由于钢管的约束作用仍能继续承载。(3)钢管的力学性能也表现出明显的弹塑性特征,在弯曲部位的受力过程可以总结为受压屈服,受拉破坏,具体可以分为三个阶段。在弹性阶段,应力随荷载线性增加,钢管只受压应力,拉应力可以忽略不计;在受压屈服阶段,最小主应力保持不变,钢管将发生较大变形,致使钢管应力重分布;在塑性阶段,钢管的拉应力和压应力都会急剧增加,但是压应力不会超过极限强度,拉应力则会一直增大,直至达到极限强度,构件最终破坏。(4)轴压荷载作用时,钢管混凝土是整体屈服,由于变形差异导致弯曲破坏;在偏心荷载作用时,钢管混凝土是偏压侧中部区域的钢管率先屈服,而后屈服区域扩展,变形叠加,最终致使钢管混凝土弯曲破坏。(5)在弹性阶段,改变拱架支护形式并不能起到明显的支护效果,喷射混凝土仍然是承载主体,但是采用钢管混凝土拱架支护能有效地缩小喷射混凝土受压塑性损伤区域,对维持喷射混泥土正常使用状态、保证喷射混凝土的长久使用都有重要意义。(6)随着直径的增大,薄壁钢管混凝土的钢管的压应力的增长速率明显减小。表明可以据此来控制钢管应力,从而延长钢管的弹性阶段。