钢管混凝土系杆拱桥拱肋脱空的综合防治措施

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【摘要】钢管混凝土系杆拱桥的脱空问题至今未有很有效的解决措施，本文系统总结了拱肋脱空产生的原因及其受力性能降低的机理，并在此基础上结合本公司承建的申张线-张家港复线巫山大桥工程实例有针对性地提出了经济有效的脱空防治综合措施。

【关键词】钢管混凝土；脱空；防治措施

中图分类号：TV331文献标识码： A

一、概述

钢管混凝土的基本原理是借助内填混凝土来增强钢管壁的稳定性，借助钢管对核心混凝土的“套箍作用”，使核心混凝土在工作时处于三向受压状态，从而使核心混凝土具有更高的抗压强度和抗压缩变形能力。钢管混凝土系杆拱桥是指拱肋采用了钢管混凝土材料的系杆拱桥。

钢管混凝土材料应用于桥梁结构最早始于1879年，英国Severn铁路桥桥墩采用了钢管混凝土材料，目的是为了防止空钢管锈蚀[1]。1990年，我国第一座钢管混凝土拱桥四川旺苍东河大桥成功建成，拉开了我国钢管混凝土拱桥发展的序幕。据不完全统计，截止目前，我国已建成钢管混凝土拱桥300座以上。

钢管混凝土拱桥自出现以来，在短短的几十年间得到了飞速发展，主要是由于钢管混凝土拱桥具有以下优点：① 承载能力高。对于薄壁钢管来说，由于它对局部缺陷很敏感，其承载能力极不稳定，而在钢管中灌注混凝土形成钢管混凝土构件后，钢管延缓了混凝土受压时的纵向开裂，而混凝土也大大延缓了薄壁钢管的局部失稳。钢管混凝土的承载力高于二者单独承载时的承载力之和；② 塑性和韧性好。单向受力时混凝土的破坏特征属于脆性，尤其对于高强度混凝土更是如此，但钢管混凝土中的核心混凝土在钢管的约束下，不仅在使用阶段改善了它的弹性性能，而且在破坏时能产生很大的塑性变形，从而使钢管混凝土具有优良的抗震性能。在冲击荷载或振动荷载作用下，会表现出很好的韧性[2]；③ 经济性好[3]；④ 施工方便。钢管拱肋本身就可当作侧模，省去普通钢筋混凝土施工支模、拆模等的麻烦；⑤ 耐火性好。由于钢管内填充了混凝土，在高温情况下，与空钢管相比，它的软化温度极大提高，而在急剧降温时不会像普通钢筋混凝土结构那样爆裂[4]。

目前，钢管混凝土材料的本构关系还没有完善成熟的理论，且专门针对钢管混凝土拱桥的设计施工规范还在制订当中。钢管混凝土拱桥虽然应用广泛，但其理论研究还需进一步完善。由于缺乏足够的理论支撑逐渐暴露出不少问题，尤其是钢管与管内混凝土之间的脱空问题。钢管混凝土的脱空，是指核心混凝土内部出现空洞、不密实或者是钢管与核心混凝土在界面处分离开来的现象。根据脱空的形式，钢管混凝土拱桥的脱空可分为两种情况：① 拱肋内部混凝土不密实；② 钢管与混凝土界面脱离。钢管混凝土的优越性主要靠钢管和管内混凝土的牢固结合形成整体共同受力才能体现，这就需要保证管内的混凝土与钢管内壁之间能紧密接触，处于径向挤压的工作状态，这样“套箍作用”才能发挥。但在目前对服役钢管混凝土拱桥的调研过程中发现，大部分钢管混凝土拱桥拱肋钢管与混凝土都在脱空状态下工作，且大部分为第二种形式的脱空[5,6]。

脱空问题比较复杂，主要表现在脱空的检测手段不够完善，脱空的程度和范围难以定量，脱空对受力性能影响的理论研究还不够深入，经济有效的脱空防治措施还比较缺乏等方面。本文主要系统总结钢管混凝土拱桥脱空产生的原因及其受力性能降低的机理，有针对性地研究经济有效的脱空防治措施。

二、脱空成因

目前，国内外对钢管混凝土拱桥脱空产生的原因的研究取得了一定的成果，有代表性原因如下：

文献[7]研究了钢管混凝土中核心混凝土的收缩与膨胀特性，认为收缩中以核心混凝土的冷缩（温度下降造成的收缩）和徐变收缩为引起脱空的最主要影响因素，并提出了使用延迟膨胀剂改善钢管混凝土脱空的建议。

文献[8]认为泵送施工工艺是引起脱空的原因之一。核心混凝土的施工多采用泵送顶升法，泵送顶升是指采用混凝土泵将混凝土从拱脚注入钢管拱肋内，混凝土由下向上运动。在这一过程中，造成脱空的主要原因是钢管内空气存在临界逃逸角，混凝土在运行过程中将空气封闭形成气腔，而气腔本身的浮力不足以使空气排开混凝土沿钢管壁向上运动。当高出拱顶约2m的出浆口喷浆后，钢管内各部分的压强均达到最大值，钢管内的空气将永久封闭。另外，由于各种原因泵送混凝土内含有一定微气泡形式的空气，空气经汇集后会沿钢管上升，最后滞留在平缓段，使拱顶平缓段混凝土与钢管脱空增大。

文献[9]认为除了泵送过程，混凝土本身的质量外，膨胀剂的掺入量也是引起脱空的原因之一，正确使用膨胀剂非常重要，有时还掺入粉煤灰，以改善混凝土组分的颗粒级配，增加致密性。混凝土收缩严重或在浇筑过程中混凝土并不是很密实，以及由环境温度的变化引起钢管与核心混凝土的温差均是引起脱空的重要原因。

文献[10]从现有钢管混凝土脱空的情况分析，将钢管混凝土脱空的原因分为初期（从混凝土开始浇注至终凝），早期（混凝土终凝后至十四天左右）和长期（桥梁运营期）三个阶段。在初期阶段新拌混凝土的泌水和沉缩是脱空的主要原因。在早期阶段混凝土水化硬化过程的化学收缩和自收缩以及混凝土早期凝结硬化过程中水化热引起的冷缩是脱空的主要原因。在运营阶段，日照作用下引起的内外温差和季节温差以及混凝土的后期收缩是脱空的主要原因。该文献还对各种原因引起的脱空高度进行了比较，认为对脱空高度影响最大的是新拌混凝土的泌水量，钢管直径越大，越容易出现脱空，脱空高度也越大；日照温差和季节温差是引起钢管混凝土脱空的第二大原因，其脱空高度仅次于泌水和沉缩造成的脱空高度，而这种原因造成的脱空是较难彻底消除的。

文献[11]根据广义平面应变的厚壁圆筒理论研究了钢管混凝土构件受压时的工作性能，认为轴向压力、温度是使钢管混凝土产生脱空的主要原因。在轴向压力作用下当钢管与混凝土之间的拉应力大于钢管与核心混凝土间的粘结强度时，钢管与混凝土之间会产生脱空现象。

文献[6]认为轴向压力、温度荷载和核心混凝土收缩是引起第二种形式脱空的主要原因，这种结论被业内人士广泛接受，文献还对此种脱空对拱桥受力性能进行了深入研究。

三、钢管混凝土脱空对策

根据不同的脱空成因，不同的学者提出了不同的脱空防治措施。文献[12]提出从设计指导思想上来预防脱空对钢管混凝土拱桥造成的危害，考虑到目前还没有成熟的技术解决脱空问题，故在设计时不考虑钢管对混凝土的套箍作用，而是将钢管与混凝土看成两个平行杆件进行设计和计算，并在构造上设置加强措施（设置纵向加劲肋和横向法兰圈），以尽量保证二者能够整体受力。此方法过于保守，会造成极大的浪费。

文献[13]提出采用二次灌浆法解决钢管混凝土脱空，其具体做法是：在脱空处对钢管钻孔，压入高强度水泥浆或改性环氧砂浆使钢管与核心混凝土密实。通过工程实例发现二次灌浆后构件的承载力、弹性模量基本得到恢复，而在灌浆前，构件由于脱空导致承载力的下降最大达到33%。

二次灌浆虽然是目前比较实用和有效的方法，但是二次灌注的水泥浆也还可能由于收缩或灌注不饱满使钢管和混凝土之间再次出现裂缝。因此，在对钢管压浆之后还要用超声波对管内混凝土质量进行检测，遇到不密实的地方再次进行压浆。

文献[8]提出了通过内置排气管抽气法给空气逃逸提供通道，在混凝土泵送结束后进行负压抽吸，振捣排浆管内混凝土，钢管外辅助振捣措施等后期处理措施。此方法较难操作，故不常采用。

文献[14]提出在材料使用上防止脱空的产生，如采用线膨胀系数小的钢材或钢纤维混凝土、活性粉末混凝土等。在施工过程中采取在拱顶预压、低温封拱等方法，也可以有效预防钢管混凝土拱桥的脱空。另外，在钢管横穿螺栓，阻止混凝土径向收缩；钢管外包裹保温（防晒、防冻、隔热）材料，降低钢管和核心混凝土的温度变化幅度，使两者的温度趋于接近，从而避免钢管混凝土的脱空。

上述防治措施对于钢管混凝土的脱空处理具有一定的效果，但在实际工程中，由于工程的复杂性，往往不易确定最佳防治方案，且有些方法不具有可操作性。因此，面对钢管混凝土系杆拱桥的快速发展，急需开发新的脱空防治措施。

四、脱空使受力性能降低的机理

为了有针对性地采取脱空防治措施，首先要弄清脱空使受力性能降低的机理。脱空使受力性能降低的原因主要包括两个方面：（1）脱空使钢管混凝土拱桥在受到直接或间接荷载作用时钢管与核心混凝土之间产生轴向相对位移；（2）脱空产生的间隙使“套箍作用”不能有效发挥[6]。故本文针对这两种机理，提出钢管拱肋脱空防治的综合措施。

五、本文建议的综合防治措施

二次灌浆技术可以有效填充钢管与核心混凝土之间的间隙，使钢管对核心混凝土的“套箍作用”得到有效发挥，此处不再赘述。现着重介绍如何限制钢管与核心混凝土之间产生的轴向相对位移。

5.1 基本思路

为了防止钢管与核心混凝土之间出现轴向相对滑移，最好的方法是增加钢管与核心混凝土之间的粘结强度，但目前的材料技术还不能使粘结强度得到显著提高，根据文献[15]圆钢管混凝土钢管与核心混凝土之间的设计粘结强度仅为0.4MPa，因此目前只能考虑采用构造措施来限制钢管与核心混凝土之间的轴向滑移。

考虑沿拱肋在有限点限制钢管与核心混凝土之间的轴向滑移，至于具体采用多少个限制点可通过计算分析确定。该构造措施必须能将钢管和核心混凝土可靠地连接在一起，同时要具有足够的刚度和强度，而且不能够影响到泵送混凝土的压送。

5.2 内法兰的构造

内法兰构造如图1所示。该内法兰构造有双重作用，一是拱肋分段拼装过程中各拱肋节段之间的临时连接，二是防止拱肋钢管与核心混凝土之间的轴向滑移。内法兰不得直接与拱肋钢管焊接，而是通过肋板与钢管连接。内法兰与钢管内壁之间的空隙可以保证泵送混凝土顺利通过而不会形成封闭的气腔，所以不会造成混凝土不密实的现象。

图1 巫山大桥内法兰构造

5.3 设计参数

1. 内法兰的刚度

内法兰构造必须要有一定的刚度，否则不能起到限制轴向滑移的作用，因为钢管与核心混凝土之间的滑移量并不大，通常只有几毫米。另一方面，内法兰的刚度还与轴向滑移限制点个数有关，两者成反比关系。因此，必须正确设计内法兰的刚度。

2. 内法兰的强度

内法兰的强度必须要保证在钢管混凝土系杆拱桥丧失整体承载能力之前不破坏。内法兰的破坏形式主要为肋板与钢管内壁接触面因受剪而破坏，因此必须要保证足够的剪切面积。

3. 内法兰的数量

内法兰的数量原则上应该越少越好，一方面节约材料，另一方面不会影响混凝土的压送顶升，但数量越少刚度要求越大，因此二者必须有合理的平衡。

巫山大桥内法兰的强度、刚度及数量由江苏省交通规划设计研究院通过Midas软件计算确定，其中数量与拱肋接头数量一致，采用厚度为25mm厚Q345d钢板焊接而成，详见图1。

5.4 效果检验

巫山大桥成桥后，由江苏省交通科学研究院进行成桥检测，检测结果显示桥梁承载力、刚度等指标与设计值极为接近，表明二次灌浆和内法兰构造相结合的脱空综合防治措施效果显著。

六、结论与展望

本文对目前钢管混凝土拱肋脱空原因及常用的脱空防治措施进行了系统的总结，对脱空引起受力性能降低的机理进行了分析，在此基础上提出了采用设置内法兰构造措施来限制拱肋与混凝土之间的轴向相对位移和二次灌浆解决拱肋与核心混凝土之间的空隙的综合防治措施，取得显著效果。主要结论如下：

（1）对现有的脱空防治措施进行了系统总结，对各种脱空防治措施的可行性、经济性以及使用效果进行了分析；

（2）提出了沿拱肋设置内法兰构造限制钢管与核心混凝土之间的相对轴向滑移，提出了内法兰构造的形式，内法兰构造强度、刚度和数量的设计方法；

（3）以巫山大桥为例分析了设置内法兰构造对钢管混凝土拱桥受力性能的影响，结果表明内法兰构造和二次灌浆的综合防治措施能够显著改善脱空之后钢管混凝土拱桥在正常使用及承载能力状态下的受力性能，虽然不能达到完全粘结时的效果但与完全粘结时的受力性能已比较接近。

因此，用设置内法兰构造和二次灌浆的综合措施对脱空现象进行治理是可行的，施工工艺既不复杂也不需要增加过多的成本，该方法具有较强的推广应用价值。

目前，对钢管混凝土拱桥实际脱空程度测试研究不足。今后，对服役钢管混凝土拱桥应研究有效的检测方法用来测试钢管混凝土拱肋脱空的部位、范围和高度。通过检测结果，建立理论模型，利用有限元软件分析实际脱空情况对桥梁承载能力的影响，为研究脱空对拱肋受力性能的影响和维护加固提供依据。

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