摘要：脱空现象是钢管混凝土拱桥拱肋特有的病害，研究脱空现象产生的原因及其对钢管混凝土拱桥性能的影响，对充分发挥钢管混凝土在桥梁建设中的优势，提高钢管混凝土拱桥使用质量具有重要意义。
关键词：钢管混凝土；脱空；脱粘；不密实
0 前言
钢管混凝土借助钢管对混凝土的套箍作用使得核心混凝土三向受压，使其具有更高的抗压强度和抗压缩变形能力。在高层建筑及大跨度桥梁中得到了广泛的应用。1990年我国建成了第一座钢管混凝土拱桥—四川旺苍大桥，因其结构轻盈、美观，跨越能力强，其后，大量钢管混凝土拱桥在我国相继建成使用。然而, 桥梁界对钢管混凝土结构理论的研究滞后于工程实践, 将钢管混凝土应用于拱桥仍有许多问题值得研究, 其中钢管与混凝土的脱空就是一个值得重视的问题。
1脱空产生的原因
脱空，也称为脱粘，指钢管与核心混凝土在界面处分离开来或者是核心混凝土内部出现空洞、不密实等现象。国内外学者研究认为轴向压力和温度，混凝土泵送工艺，钢管混凝土工艺流程是影响钢管混凝土拱桥发生脱空现象的主要因素。
1.1 轴向压力和温度
童林，夏桂云[1]等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轴压时的工作性能，认为轴向压力、温度是使钢管混凝土产生脱空的主要原因，并对其影响程度进行了讨论，认为核心混凝土温度下降是产生脱空现象的主要原因。钢管混凝土拱桥在日照作用下, 钢管表面与核心混凝土的温差较大。有测试资料显示, 在强日照下, 钢管温度可达70～80 ℃, 核心混凝土温度可达30～40 ℃, 两者温差为40～50 ℃，可使钢管与混凝土间隙达0.4～0.72mm，如此脱空程度足以破坏钢管与核心混凝土间的粘结强度, 破坏“套箍作用”的发挥。
1.2 混凝土泵送工艺
目前，钢管混凝土拱桥中核心混凝土施工通常采用泵送顶升工艺，即借助混凝土泵将混凝土从拱脚注入钢管拱肋内，在注入过程中混凝土由下向上运动，拱肋顶部预留有排气和排浆孔。在此过程中，造成脱空的主要原因是混凝土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运动。当拱顶排浆口喷浆后，钢管内压强达到最大值，钢管内的空气将永久封闭。另外由于泵送混凝土中含有一定微气泡形式的空气，经汇集后会继续沿钢管上升，最后滞留在平缓段，使拱顶平缓段混凝土与钢管脱空增大。
1.3 钢管混凝土工艺
根据钢管混凝土施工工艺流程将其原因分为初期(浇筑阶段)、早期(养护阶
段)和长期(运营阶段)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。在运营期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。
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2 脱空对钢管混凝土性能的影响
2.1 受力模式的改变
在粘结良好状况下,钢管与混凝土轴向、径向、转角位移均协调,钢管与混凝土共同工作。脱空出现后,钢管与混凝土间受力模式发生改变,钢管与混凝土仅有径向位移约束,轴向位移和转角则为相互独立，钢管与混凝土类似于两根平行的杆件工作。此时，钢管的最大内力比完全粘结时要大。
2.2 承载力的影响
国内学者研究表明[2]，将均布荷载作用于一半桥宽时，当混凝土脱空率低于20% 时, 全桥静力极限承载力无显著改变, 但脱空率达20% 及以上时, 全桥的极限承载力显著降低，降低率达13.6%。将均布荷载满布桥宽时, 当脱空率达15% 及以上时, 极限承载能力即有显著降低达9%。脱空降低承载力的主要原因包括两个方面[3]: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滑移；②脱空产生的间隙使“套箍作用”不能有效发挥。
2.3 刚度的影响
学者李欣欣[4]利用ansys软件分析了某桥梁在恒载+风载+车道荷载满跨偏载作用下脱空和粘结两种状态的拱桥的线形变化，得出拱肋各部弦管脱空状态下位移与粘结状态下位移之差，发现跨中拱肋处最大约为2.5cm，增长率达42%，计算结果说明，脱空对于拱肋的面内刚度影响较大。在对脱空对拱桥稳定安全系数和失稳模态影响研究时，发现脱空状态下，拱桥的前五阶失稳模态皆为面外失稳，且其稳定安全系数较完全粘结状态时下降27%，脱空问题对拱桥的面外刚度影响亦较大。
3 脱空防治措施
3.1 从设计指导思想上预防
童林，夏桂云[1]在文献中指出，考虑到目前还没有较成熟的技术解决脱空问题，故在设计时暂不考虑钢管与混凝土的粘结和套箍作用，将钢管与混凝土看成两个平行的杆件进行设计和计算。这种方式不能发挥钢管混凝土拱桥的优势，在设计上偏于保守。
3.2 从施工上来预防
为解决施工工艺的影响，目前常用措施有：a)沿拱管开排气孔，预泵送高标号水泥浆液润滑，并采用附着式振捣器进行混凝土振捣；b)浇筑初期（即初凝前），在排气管出口处抽负压，提高混凝土对钢管内壁的压力，以利混凝土泌水和气体的排出。c) 拱顶预压、低温封拱，即进行混凝土施工时在拱顶预留出一段空隙，待达到设计强度时对两侧混凝土施加压力，并安放阻止混凝土收缩的钢筋骨架，选择气温较低时(5℃左右)用干硬性膨胀混凝土封拱。
以上方法虽然能改善钢管混凝土拱桥的脱空程度，或推迟钢管混凝土拱桥出现脱空的时间，但不能从根本上解决脱空问题。
3.3 已建成钢管混凝土拱桥脱空的处理
a)二次灌浆法。在脱空处对钢管钻孔，压入高强度水泥浆液或改性环氧砂
浆填充空隙处。但二次灌注的浆液由于收缩或灌注不饱满，亦会使钢管和混凝土之间再次出现缝隙。
b)外加套环法。若因脱空致钢管混凝土拱桥不能满足设计要求时可采用此
法。该法即在原钢管处再套一钢管混凝土环，钢管分为两半，先用法兰螺栓连接，圆环混凝土浇注完成并达到设计强度90%设计时，对混凝土施加预应力，达到设计压力后进行钢管焊接。
4 结论
脱空现象对钢管混凝土拱桥的受力模式、承载力、刚度影响较大，阻碍了钢管混凝土优势的发挥，降低了钢管混凝土拱桥的使用安全性和服役寿命。因此，在工程建设中我们必须保证工程质量，采取可靠措施，降低脱空现象发生的概率，并加强脱空危害预防和控制的研究，为钢管混凝土拱桥的安全、长效使用提供理论支持。
参考文献
[1] 童林,夏桂云,吴美君,等.钢管混凝土脱空的探讨[J].公路,2003(5):16-20.
[2] 柳捷.脱空钢管混凝土拱桥极限承载力数值分析[J].工程与建设,2009,23(2):161-164.
[3] 林春姣,郑皆连,秦荣.钢管混凝土拱肋混凝土脱空研究综述[J].中外公路,2005,24(6): 54-58.
[4] 李欣欣.脱空对钢管混凝土拱桥的影响分析[J].工程建设与设计,2013(9):106-108
论文作者:孟楠
论文发表刊物:《基层建设》2016年20期
论文发表时间:2016/11/29
标签：混凝土论文; 钢管论文; 拱桥论文; 承载力论文; 主要原因论文; 核心论文; 拱顶论文; 《基层建设》2016年20期论文;