温度对钢管混凝土拱桥管内混凝土脱粘的影响.pdf

公路交通技术2 0 1 3年 1 0月 第 5期T e c h n o l o g y o f H i g h w a y a n d T r a n s p o r t O c t ． 2 0 1 3 N o ． 5 温度对钢管混凝土拱桥管 内混凝土脱粘的影响 殷 迅 ( 重庆市中检建筑工程质量检测有限公司， 重庆4 0 0 0 2 3 ) 摘要： 基于国内钢管混凝土拱桥管内混凝土检测资料， 结合理论计算， 分析温度对钢管混凝土拱桥管内混凝土脱 粘的影响进行分析， 认为大直径钢管混凝土拱桥脱粘较小直径的更严重， 故从降低脱粘程度考虑， 拱肋钢管直径不 宜大于 1 0 0 0 mm。另外 ， 钢管混凝土拱桥拱肋 上宜采用浅色涂装 ， 以降低 日照产 生的 管内截 面温差 ， 减 小钢 管混凝 土拱肋脱粘程度 。 关键词： 温度 ； 钢管混凝土； 拱桥； 脱粘； 日光辐射； 涂层 文章编号 ： 1 0 0 9 — 6 4 7 7 ( 2 0 1 3 ) 0 5 — 0 0 9 4 — 0 5 中图分类号 ： U 4 4 8 ． 2 2 文献标识码 ： B l n f l u e n c e s o f Te mp e r a t u r e O n Ab h e s io n o f Co n c r e t e i n Tu b e s o f S t e e l Tu b e Co n c r e t e Ar c h Br id g e s YT N Xl 1 n 钢管混凝土是指把混凝土密实填充在钢管 中而 形成 的一种新型复合材料。其优点一是 内填混凝土 而使钢管壁的稳定性得 以增强 ； 二是管 内混凝土受 到外部钢管的套箍作用， 使得整个构件具有更高 的 抗变形能力和抗压强度 。 在钢管混凝土拱桥 中， 主拱肋 ( 钢管混凝 土结 构) 的质量关系到整座桥梁 的承载能力 、 稳定性等 ， 具有重要 的安全保 障作用。钢管混凝土结构中， 只 有在保证管内混凝土与钢管内壁之间紧密接触的前 提下 ， 混凝土和钢管这 2种不同材料才能牢固结合 、 形成整体、 共 同受力， 这种新型复合材料的优越性才 能实现 。然而 ， 由于 目前 的施工工艺 尚无法保证钢 管 内部的混凝 土完全 均匀充 实而无 缺 陷， 且 钢管 与混凝土这 2种不同材料之间的亲和力有 限， 致使 钢管与管内混凝土很容 易发 生脱粘现象。在钢管 混凝土拱 桥 中， 最容 易发生脱 粘现 象 的部 位在 拱 肋顶部。 1 钢管混凝土拱桥管 内混凝土脱粘研究现状 国外修建的钢管混凝土拱桥数量不多， 因此此 类桥梁设计 、 建设 、 检测 、 养护等方面的研究 目前 主 要集中在国内。 忻嘉昆l 1 1 详细分析 了钢管混凝土拱桥拱肋脱粘 的原因， 并对此类桥梁管 内混凝土与钢管脱粘的种 收稿 日期 ： 2 0 1 3 — 0 3 — 2 2 作者简介 ： 殷迅 ( 1 9 8 0 一) ， 男 ， 河南省舞阳县人， 硕士 ， 工程师 类进行了划分。廖渭扬等 介绍了钢管混凝土拱桥 主拱肋管内混凝土可能发生缺陷的产生机理和相应 的检测方法 ， 并 比较和分析了这些检测方法 的优缺 点。涂光亚 从理论上针对脱粘对钢管混凝土拱桥 受力性能的影响进行 了详细分析 ， 建立了脱粘计算 模型 ， 并对脱粘给整体结构受力造成的影 响和脱粘 产生的原因做了深入研究 ， 在此基础上提 出了经济 有效的钢管混凝土拱桥脱粘病害治理措施 。 但国内对钢管混凝土拱桥管内混凝土脱粘的研 究主要是 集 中在 材料方 面 ( 如混凝 土 的收缩效 应 等) ， 对温度影响的研究还相对较少 。 2 钢管混凝土拱桥脱粘病害调查结果 中国是世 界上钢管混凝土拱桥建造 最多 的国 家 ， 目前已经建成 了 3 0 0多座。为对钢管混凝土拱 桥管 内混凝土脱粘病害有更多了解 ， 本文搜集、 汇总 了国内部分钢管混凝土拱桥管内混凝土脱粘 的检测 结果， 见表 1 。从表 1 可 以看 出， 钢管混凝土拱桥普 遍存在程度不一的管 内混凝 土脱粘病害， 脱粘高度 一 般在 1～ 3 m m。且修建较早的钢管混凝土拱桥脱 粘程度相对较大 ， 修建较晚的钢管混凝土拱桥脱粘 程度相对较小 ， 其原 因应是桥梁建设 时的技术手段 限制所致 。此外 ， 从表 1中还可以看出， 大直径钢管 混凝土拱桥的脱粘程度较小直径的更为严重。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年第 5期 殷迅 ： 温度对钢管混凝土拱桥 管内混凝土脱粘的影响 9 5 3 脱粘病害成 因简述 钢管混凝土拱桥拱肋的管内混凝土脱粘一般包 括 2种情况 ： 一是钢管混凝土构件管 内混凝土灌注 过程 中造成的不密实或是空洞 ； 二是桥梁运营过程 中 ， 自身密实性 良好 的钢管混凝土拱肋 因受到各种 因素 的影响而在钢管与混凝土界 面处产生脱粘 J 。 国内外的相关研究表 明， 钢管混凝 土构件管 内 混凝土脱粘主要有 以下原因 ： 混凝土施工工艺不合 理 ； 管内混凝土收缩及徐变效应影响； 不合理 的配合 比设计致使混凝土粘结性不好 ； 混凝土坍落度的影 响 ； 混凝土中添加的膨胀剂种类或剂量使用不当； 温 度应力及轴压 等的反复作用 ； 加劲环或法兰盘设计 不合理等。 4 温度效应对钢管混凝土拱桥脱粘的影响 由表 1的调查结果 可以看 出， 钢管混凝土拱桥 的脱粘病害非常普遍 。新建钢管混凝土拱桥成桥后 一 般都会进行管内混凝土灌注质量检测 ， 以及时发 现和处理施工中出现的脱粘 问题 。童林 、 夏桂云 等分析了钢管混凝 土构件运 营过程 中的脱粘机理 ， 认为在此类结构中 ， 温度变化相对更容易 引起管 内 混凝土脱粘。本文重点分析温度效应对钢管混凝土 拱桥管 内混凝土脱粘 的影响。 4 ． 1 温度效应引起脱粘的机理 钢管混凝土拱桥拱肋等主要构件均暴露在大气 中， 直接承受阳光的照射。钢管混凝土构件核心混 凝土体积远大于钢管体积， 且混凝土与钢管是比热、 导热系数 、 膨胀系数均不同的 2种材料 ： 钢材 的比热 远小于混凝土 的比热 ， 而其导热系数则 比混凝土大 很多 。外界温度升高时， 钢管 比热较小 ， 迅速 吸热 ； 而管 内混凝土 比热较大 ， 吸热较慢且需要吸收的热 量相对较多 ， 在钢管 吸热进而发生膨胀 时} 昆凝土不 可能与之一起 膨胀 。外界 温度降低时 ， 温度相对较 高的钢管混凝 土构件会因向外界散失热量而收缩 ， 由于钢管和混凝土的比热 、 导热系数存在差异 ， 2种 材料降温收缩 的速度也有较大差异 ， 因此在钢管与 混凝土之间就会因为温度的升降而产生一定的温度 应力 ， 当这个温度应力超过钢管与混凝 土之 间的粘 结强度时 ， 就会产生脱粘现象。 赵毓成 、 王富强等 认为导致钢管 内混凝土产 生脱粘的最主要原因是 日照温差。彭友松等 研究 了钢管混凝 土拱肋截 面上因 日照而产 生的温度分 布 ， 认为钢管混凝土拱肋在 日照作用下会产生达 2 0～ 2 5℃ 的非线性温差。滕祖峰 对 国内外 已有钢管 混凝土构件温度场试验结果进行 了归类 ， 认 为此类 构件在 日照影响下的截面温差一般在 9—1 7℃。李 刚、 卞钧霈等 对 6组钢管混凝土模型利用超声波 透射法进行 了测试 ， 结果表明， 此类构件在高温季节 多数时间钢管与混凝 土之 间存在脱粘现象 ， 在低温 季节则紧密接触 ； 尤其是在气温高于管 内混凝 土浇 筑时气温 1 O一1 5℃ 的情况下 ， 普遍存在脱粘现象。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 公路交通技术 2 0 1 3年 因此， 在盛夏季节， 特别是在强烈 日光曝晒下 ， 钢管 混凝土构件管 内混凝土的脱粘高度不容忽视。 4 ． 2 界面拉应力计算公式的推导 根据徐芝纶《 弹性力学》， 将混凝土和钢管均看 作承受均布压力 的圆筒。在轴向均布压力作用下 ， 圆筒应力为 ： 一 q 。 一 q ， ( 1 ) 0 r p 一 - 一 z ， ) T 2 L ， p 1 1 七 T ‘ r 、 ＼ q z 。 ( z) 式中， r ， 、 r 分别为 圆筒的内、 外半径 ； p为 圆筒中任 一 点到其对称 轴的距离 ； q 。 、 q 分别 为圆筒所受 的 内、 外压力 ； o r 为厚 壁圆筒任一 点 的切 向应力 ； o r p 为任一点的径向应力 。 假设某钢管混凝 土构件 钢管的 内径 为 口 ， 外径 为 b ， 该构件在温度作用下其 核心混凝 土与钢管之 间产生的均匀分布的界面拉应力为 P 。把核心混凝 土看作圆筒 ， 则 r = 0 ，1" 2 -- --- a ~ ， g 。 = 0 ，q ： =- p 。根据式 ( 1 ) 、( 2 ) ， 混凝土应力为 ： o r 。 = p， ( 3 ) o r 。 = p 。 ( 4 ) 将钢管混凝土构件看作平面应变 问题 ， 则核心 混凝土的径向应变 s 为： = ( o r p 一 )。 ( 5 ) 一 。 ( ) 式中， E 、 分别为核心混凝土 的弹性模量和泊松 比。将式( 5 ) 积分， 则在 r = 0处核心混凝土的径 向 位移 ： 。 为 ： h r c ~ a =一 。 ( 6 ) 一 —— _P。 O ) 把钢管也视 为受 均 布压 力 的厚 壁 圆筒 ， 则有 1 =口，1 "2=b， q =- p， q 6 0 。 根据式 ( 1 ) 、 ( 2 ) ， 钢管中任一点的应力为： = ， ( 7 ) 耐’ o r = 一 。 ( 8 ) 7 。 设钢管的弹性模量和泊松 比分别为 E 、 ， 则 钢管的径向应变 为 ： 1 - I x 5 ，6 0 一0 p 。 0 6 +口 p 、 ■ 耐+ 2 耐 2 2) o ( 9 ) 对式( 9 ) 进行 积分 ， 钢管在 r = a处的径向位移 ： 。为 ： ： 。 =一 主 一 。( 。 ) 。 一 — — 二 一 j 研。( u ) 根据 r = c t 处径 向位移协调， 有 O l A t 。 + ^ ： 。 ---- - O L A t + ： 。 。 ( 1 1 ) 式中， 、 分别为 钢管和混 凝土 的线 膨胀 系数 ； △ ￡ 、 △ 分别为钢管平均温度 、 混凝土平均温度 与基 准温度的差值。 把式( 6 ) 和( 1 0 ) 代入式( 1 1 ) ， 化简后得 ( 口 At 一 口 At ) 互( 1 - ／x豆,- 2 ／2 , 2 ) a 2 (孽1 + ／x , ) b 2 』 _ E ( b 2 — 0 ) E ( b 一 0 ) 1 - ／ z 一 。 ( 1 2) 式 ( 1 2 ) 即为温度作用下核心混凝土与钢管之 间产生的界面拉应力 的计算公式 ， 根据该式在温度 变化已知的情况下可以求得混凝土与钢管界面的拉 应力 P 。 4 ． 3 脱粘高度计算 当混凝土与钢管的粘结强度小于核心混凝 土与 钢管外壁之间界面处的最大拉应力时， 就会 出现脱 粘现象 ， 此时混凝土、 钢管界面拉应力 P变为 0 ， 这 2 种材料之间的脱粘高度 A h可按式( 1 3 ) 计算 ： A h =I x A t X C t - O Z x A t 0 I o ( 1 3 ) 由式( 1 3 ) 可知， 混凝土与钢管外壁之间的脱粘 高度随截面温差与钢管直径的减小而减小。 李刚 、 卞钧霈等 认为 ： 采用超声波检测脱粘病 害时 ， 当脱粘间距在 0 ． 1 mm以下时， 存在 困难。为 便于分析， 假定脱粘 间距小于 0 ． 1 m m时 ， 核心混凝 土与钢管之间不存在脱粘病害。将钢管混凝土构件 截面温差取为 9 o Cl 8 J ， 根据式 ( 1 3 ) ， 经计算， 钢管 内 径 口 ~<9 2 6 m m， 即： 当 n ~<9 2 6 mm， 截面温差 ≤9 o C 时， 不存在脱粘病害。考虑到计算过程中的假定 、 误 差 以及钢管壁厚度 ， 可 以认为钢管与混凝土之 间不 会产生脱粘现象的条件是 ： 口 ≤1 0 0 0 m m、 截面温差 ≤ 9℃ 。 4 ． 4 计算实例 钢管混凝土构件钢管与核心 昆 凝土内部的温度 场， 在 日光辐射温度作用下一般是不均匀 的。为便 于计算 ， 假设钢管混凝土构件 中温度是均匀分布 的， 计算中分别取核心混凝土与钢管的平均温度 。假设 核心混凝土平均温度与基准温度相等 ， 即A t = 0 ； 钢 管的平均温度 比基准温度高 1 5℃ ， 即 A t =1 5 。取 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年第 5期 殷迅 ： 温度对钢管混凝土拱桥管 内混凝土脱粘的影响 9 7 = 0 ． 1 7 3 ， = 0 ． 3 ， =1 ． 2 ~ 1 0 ～， = 1 ． 0 ~ 1 0 ～。根 据式( 1 2 ) ， 分别针对实 际工程中常用 的钢管类型按 照不同管径 、 壁厚及混凝土强度计算钢管混凝 土构 件 的核心混凝土与钢管界面间的拉应力 ， 计算结果 见 表 2 。 表 2常用钢管混凝土截面界面拉应 力 钢管 直径／钢管壁 厚／ 混凝 土混凝 土弹性界面拉应 力／ mm mm 强度 模量／ MP a MP a 由表 2可见 ， 当 △ - △ =1 5 ， 即混凝土与钢管的 平均温度相差 1 5℃时， 2种材料界面之间的拉应力 区间为 0 ． 8 5～1 ． 7 2 MP a 。另外 ， 由表 2和式( 1 2) 还 可以看出， 在钢管混凝土构件直径不变 的情况下 ， 钢 管与混凝 土界面拉应力 P随钢 管壁厚 的减小 而减 小 ； 在壁厚不变时 ， P随钢管外 径 的减小而增 大； 在 钢管混凝土构件直径 和壁 厚均不变时 ， P随核心混 凝土弹性模量的减小 而减小 ， 随钢管与核心混凝土 间温差的减小而减小。 国外对 圆形截面钢管混凝土构件粘结强度进行 的相关研究及试验较多 ， 姜绍飞 、 韩林海等 对此做 了如下总结和归纳 ： 圆形截面钢管混凝土构件钢管 与核心 混凝 土 之 间平 均 粘 结强 度 的 分 布 区间 为 0 。 2～ 0 ． 4 MP a 。英 国 B S 5 4 0 0( 1 9 7 9 ) 规范 也 将 0 ． 4 MP a取为此类构件 的设计粘结强度。国内关于 钢管混凝 土构件 界面粘结性 能的相关研究 总体较 少 ， 薛立红 、 蔡邵怀 等 的研究结果表明圆钢管混 凝土构件 的界面粘结强度在 0 ． 4 3～ 0 ． 8 5 MP a之间 ， 与国外同类试验 的结果相 比虽然差距较大 ， 但也均 小于表 2中计算得出的界面拉应力。 实际工程中钢管混凝土拱桥所处环境条件与实 验室环境相差较大 ， 一般其主拱肋都是直接 承受 阳 光曝晒 ， 由此导致构件截面上 的局部温差非 常容易 超过 1 5℃ ， 混凝土与钢管之间的界面拉应力显然也 要大于理论计算 的结果。因此可 以认 为 ， 在 日照、 混凝土水化 热影 响等造成 的温 度效 应影 响下 ， 若 不采取任何 措施 ， 钢管 混凝 土拱桥 中 主拱肋 等构 件管 内混凝 土非常 容易 发生脱 粘 ， 且几 乎是 不可 避免 的。 5改善措施 上述计算和分析表 明， 控制钢管混凝 土拱肋截 面的温差是减小脱粘程度较为有效的方法之一 。对 于暴露在 自然环境 中的钢管混凝土拱桥来说 ， 构件 表面对 日光辐射的吸收率是影响截面温差的最主要 因素。 一 般认为物体表面的性质 、 状况 、 光洁度和颜色 等对物体表面的 日光辐射吸收率有较大影响 ， 准确 值需要通过试验确定 。就钢管混凝土拱肋而言， 其 钢管外表面均涂有防腐涂层。目前经常使用的钢管 混凝土拱肋防腐涂层主要有云铁醇酸面漆、 灰铅锌 醇酸面漆 、 钢 灰桥 梁面 漆及 过氯 乙烯聚 氨酯 面漆 等 。这些防腐涂料在防止钢管腐蚀的同时 ， 对钢 管混凝土构件的 日光辐射吸收率也会有一定影响。 但 目前上述各种涂层漆料的 日光辐射吸收率国内尚 未有详细的研究报道 ， 也没有具体 的试验参数 可供 参考 ， 所 以只能根据漆料的颜色来粗略地鉴定涂层 的 日光辐射吸收率。不同颜色涂料对 日光辐射的吸 收率见表 3 。 表 3 不同颜色涂料的 日光辐射吸收率 涂层表面颜色 白色银 白色红色 浅灰 色黑 色 日光辐射吸收率／ ％ 2 1 3 0 5 5 6 0 7 5 9 0～ 9 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 9 8 公路交通技术 2 0 1 3．缸 由表 3可以看 出， 颜色越深的涂层对 日光辐射 的吸收率越高， 因此可以通过采用 白色面漆等浅色 涂层方法对钢管混凝土构件表面的涂层特性加 以改 善 ， 以减小此类桥梁拱肋对 日光辐射 的吸收率 ， 从而 降低 日照产生的管 内截 面温差 ， 减小钢管混凝土拱 肋管内混凝土脱粘程度。 6结语 本文分析了温度效应对钢管混凝土拱桥管内混 凝土脱粘程度 的影响 ， 根据理论计算和检测资料分 析 ， 认为如果不采取任何措施， 仅受 温度效应影 响 ， 钢管混凝 土拱桥拱肋 中不可避免地会产生脱 粘现 象。且大直径钢管混凝土拱桥脱粘程度较小直径的 更严重 ， 故拱肋钢管应以不大于 1 0 0 0 mm为宜。 此外， 还对常用钢管混凝土拱 桥防腐涂料 的 日 光辐射吸收率进行 了分析， 认 为可 以采用 白色面漆 等浅色涂料来改善钢管混凝土构件钢管表面的涂层 特性 ， 以减小此类桥梁拱肋对 日光辐射的吸收率 ， 从 而降低 日照产生 的管 内截面温差 ， 减小钢管混凝土 拱肋脱粘程度。 参 考 文 献 [ 1 ] 忻嘉昆． 钢管混凝土拱肋脱空分类及原因分析[ J ] ． 中 国科技信息， 2 0 0 9 ( 2 3 ) ： 8 1 — 8 2 ． [ 2 ] 廖渭扬， 黄福伟， 周海龙． 钢管混凝土拱桥拱肋混凝土 缺陷及检测方法简介[ J ] ． 甘肃科技 ， 2 0 0 5 ( 1 O ) ： 1 5 3 — 1 5 5． [ 3 ] 涂光亚． 脱空对钢管混凝土拱桥受力性能影响研究 [ D] ． 长沙 ： 湖南大学 ， 2 0 0 7 ． [ 4 ] 童林， 夏桂云， 吴美君 ， 等． 钢管混凝土脱粘的探讨 [ J ] ． 公路， 2 0 0 3 ( 5 ) ： 1 6 — 1 9 ． [ 5 ] 赵毓成， 王富强， 张文献． 钢管混凝土拱桥的非线性温 度应力影响因素的探究 [ J ] ． 中国市政工程 ， 2 0 0 7 ( 5 ) ： 29—31 ． [ 6 ] 彭友松， 强士中， 刘悦臣． 钢管混凝土圆管拱肋 日照温 度分布研究[ J ] ． 桥梁建设， 2 0 0 6 ( 6 ) ： l 8 — 2 0 ． [ 7 ] 滕祖峰． 13照作用下钢管混凝土构件截面温度场研究 [ D] ． 合肥 ： 合肥工业大学 ， 2 0 0 9 ． [ 8 ] 李刚， 卞钧霈， 陈文华． 钢管混凝土热脱空现象分析 [ J ] ． 公路交通科技： 应用技术版， 2 0 0 7 ( 3 ) ： 1 5 4 — 1 5 8 ． [ 9 ] 姜绍飞， 韩林海． 钢管混凝土中钢与混凝土粘结问题 初探 [ J ] ． 哈尔滨建筑大学学报 ， 2 0 0 0 ( 2 ) ： 2 4 — 2 8 ． [ 1 0 ] B S 5 4 0 0 ． B r i t i s h s t a n d a r d s p a r t 5 ： c o n c r e t e a n d c o m p o s i t e b r i d g e s j S f ．L o n d o n ： B r i t i s h S t a n d a r d S I n s t i t u t i o n ， 1 9 9 9 ． [ 1 1 ]薛立红， 蔡绍怀． 钢管混凝土柱组合界面的粘结强度 ( 上 ) [ J ] ． 建筑科学 ， 1 9 9 6 ， 1 2 ( 3 ) ： 1 9 — 2 3 ． [ 1 2 ]彭友松 ， 强士中， 李松． 哑铃形钢管混凝土拱 日照温 度分布研究[ J ] ． 中国铁道科学， 2 0 0 6 ( 5 ) ： 7 1 — 7 5 ． ● ● ● ● ● ●(> ●● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●● ● ● ● ● ● ● ●● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● 福建厦漳 大桥评审技术创新成果 近 日， 福建省交通运输厅在招商局漳州开发区召开了厦漳跨海大桥第 4次技术顾 问专家组会议 。专家 们对厦漳大桥有限公司提出的“ 厦漳跨海大桥成桥荷载试验报告” 和“ 厦漳跨海大桥桥梁养护管理手册” 进 行了评审， 对厦漳大桥工程建设成果、 技术创新成果给予高度评价 ， 专家组认为 ： 厦漳跨海大桥实体线形顺 适 ， 轮廓清晰 ， 色泽一致 ， 景观协调。根据实体质量检测 ， 工程质量优 良， 大桥在工程质量 、 安全 、 进度、 投资控 制等方面均取得了显著的成绩 ； 大桥建设始终坚持尊重科学 ， 依靠专家 ， 充分发挥建设者 的聪明才智 ， 在抗 震 、 抗风、 架梁及基础施工等方面取得了斜拉桥钢箱梁墩顶梁段架设新工法 、 滑动限位式铅芯橡胶支座桥梁 隔震体系等多项创新性成果 ， 为大桥顺利建成提供 了技术支撑 。 在评审过程中， 专家们特别强调， 厦漳大桥桥址地质构造极为复杂 、 外部影响因素众多。其中北汊主跨 7 8 0 m， 在同类桥型中位列世界第 9 ， 中国第 6 ， 施工难度很大 。能够顺利建成并达到合格率 1 0 0 ％ 、 优 良率 9 4 ％ 、 0死亡率 、 提前 8个月完工 ， 创造 了我国桥梁建设史上的一个奇迹。建议相关单位积极 申报国家级奖 项 ， 推进我国大型桥梁建设事业的发展。( 老关) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m