不均匀温度场下钢管混凝土拱桥管内混凝土脱空机理的学习体会

文献概况与研究背景

本文出自中交第二公路勘察设计研究院与重庆交通大学周倩等发表于《桥梁建设》2024年第1期的研究成果，依托重庆市自然科学基金等多个项目支持。研究以高原山区某跨径430m钢管混凝土拱桥为工程背景，通过足尺模型试验分析了强辐射、大温差联合作用下拱肋拱顶节段的温度场分布，揭示了不均匀温度场作用下管内混凝土脱空的机理。钢管混凝土拱桥近年来在我国山区桥梁建设中得到广泛应用，其拱肋采用钢管混凝土结构，兼具钢管的高强度和混凝土的抗压性能。然而，在实际运营中，管内混凝土脱空是钢管混凝土拱桥面临的主要病害之一，严重影响结构的承载力和耐久性。

温度场分布特征与脱空机理

水化阶段的温度场分布

文献揭示了一个重要的温度场分布规律：在14:00时刻（日最高温时段），水化阶段温度沿竖直径向（从向阳侧至背阳侧）呈先减小后升高再减小的非单调分布。这一分布特征与传统的线性温度梯度模型有本质区别。在大温差面（距向阳侧界面D/8~3D/8处，D为钢管内径）存在显著的温度突变，说明钢管壁的热传导特性对管内温度场产生了复杂的影响。

从钢管制造和材料科学角度分析，这一温度分布特征与钢管壁厚、钢管材料的导热系数以及钢管表面的辐射吸收特性密切相关。钢管外壁直接承受太阳辐射，表面温度急剧升高，而钢管内壁由于混凝土的导热滞后效应，温度变化相对平缓。钢管壁本身形成了一个"热缓冲层"，使得管内温度场的变化滞后于管外温度变化。

运营阶段的温度场分布

运营阶段温度沿竖直径向呈先减小后不变再增加的非对称分布规律，从钢管混凝土界面至距其D/8处温度变化最大。这一分布特征表明，在长期运营条件下，钢管混凝土界面的温度梯度比水化阶段更为集中，界面区域的温度变化率更高。

脱空机理的力学分析

文献的核心发现是：在温度场作用下，钢管混凝土界面的最大纵向应力差在水化阶段高达82.6 MPa，运营阶段为61.95 MPa；最大界面径向拉应力在水化阶段为0.8 MPa，运营阶段为2.06 MPa，均超过了钢管与混凝土间的粘结强度。这一发现从力学角度揭示了脱空的根本原因：温度引起的钢管与混凝土之间的差异变形超过了界面粘结强度，导致界面脱粘。

从上述数据可以看出，运营阶段的径向拉应力（2.06 MPa）已经接近或超过了界面粘结强度的上限，这是运营阶段脱空更加严重的主要原因。

钢管质量对脱空问题的影响

钢管表面质量与界面粘结

钢管与混凝土的界面粘结强度受钢管表面状态影响显著。从钢管制造角度，以下因素直接影响界面粘结性能：

1. 钢管内表面粗糙度。适度的表面粗糙度（Ra 25~125μm）有利于提高界面粘结强度，因为粗糙表面增加了机械咬合作用。过于光滑的内表面（如经过抛光处理的钢管）会导致粘结强度降低。
2. 钢管内表面清洁度。钢管内表面的油污、铁锈、氧化皮等污染物会显著降低界面粘结强度。建议钢管在混凝土浇筑前进行彻底的表面清理，可采用喷砂处理达到Sa2.5级清洁度。
3. 钢管内表面的预处理。可在钢管内表面涂覆一层薄的水泥净浆或专用界面剂，以增强钢管与混凝土的粘结。

钢管壁厚与温度应力

钢管壁厚对温度应力的分布有重要影响。较薄的钢管壁厚意味着钢管壁的热阻较小，管内温度场更接近管外温度场，温差梯度更为集中。较厚的钢管壁厚则提供了更大的热缓冲，但同时也增加了钢管自身的热应力。从脱空控制的角度，建议钢管壁厚不宜过薄，以减少管内温度场的剧烈变化。

钢管材料的热膨胀系数匹配

钢管与混凝土的热膨胀系数差异是温度应力的根本来源。普通碳素钢管的热膨胀系数约为12×10⁻⁶/℃，而普通混凝土的热膨胀系数约为10×10⁻⁶/℃，两者差异约为2×10⁻⁶/℃。在大温差条件下（如高原山区日温差可达30~40℃），这一差异会导致钢管与混凝土之间产生显著的差异变形。

工程实践中的脱空防控对策

钢管制造环节的防控

1. 钢管内表面质量控制。建议在钢管制造过程中，对内表面进行喷砂处理，达到Ra 25~125μm的粗糙度范围。同时，确保内表面无油污、无严重锈蚀，必要时进行酸洗钝化处理。
2. 钢管壁厚均匀性控制。钢管壁厚不均匀会导致局部温度应力集中，加剧脱空风险。建议钢管壁厚偏差控制在±5%以内，并在制造过程中进行100%壁厚检测。
3. 钢管直线度控制。钢管的直线度偏差会导致拱肋安装后产生附加应力，间接加剧温度应力效应。建议钢管直线度偏差控制在L/1000以内（L为钢管长度）。

施工环节的防控

1. 混凝土浇筑工艺优化。建议采用分层浇筑、分层振捣的工艺，确保混凝土密实度。在拱肋拱顶区域（脱空高发区域），可适当增加振捣时间，确保混凝土与钢管内表面充分接触。
2. 温控措施。在水化阶段，建议采用外部保温覆盖和内部冷却水管相结合的方式控制混凝土温度，减少温差对界面粘结的影响。在运营阶段，可在钢管外壁设置遮阳层或反射涂层，减少太阳辐射引起的温度梯度。
3. 界面处理。建议在混凝土浇筑前，对钢管内表面涂覆一层厚度为2~3mm的环氧-水泥复合界面剂，以提高界面粘结强度。

检测与监测

1. 脱空检测。建议采用超声波透射法（TST）或声发射法对管内混凝土脱空进行检测。在拱肋拱顶区域（脱空高发区域）应加密检测点。
2. 温度监测。建议在钢管混凝土拱桥施工和运营期间，在钢管内设置温度传感器，实时监测温度场分布，为脱空防控提供数据支撑。

学习心得与工程启示

这篇文献的研究成果对钢管混凝土拱桥的设计、制造和施工具有重要的指导意义。从钢管制造企业的角度，该研究揭示了钢管质量（特别是内表面质量、壁厚均匀性）对结构耐久性的深远影响，提醒我们在钢管制造过程中不能仅关注力学性能指标，还需重视表面质量和几何精度等"隐性"质量指标。

从工程实践角度，该文献揭示的温度场分布特征和脱空机理为脱空防控提供了科学依据。建议在钢管混凝土拱桥的设计阶段，将温度应力分析纳入常规设计内容，对拱肋拱顶等关键区域进行专项温度应力验算。在施工阶段，建立温度监测与脱空检测相结合的动态监控体系，及时发现并处理脱空问题。

对于从事钢管制造的技术人员，该文献的启示是：钢管作为钢管混凝土结构的关键组成部分，其质量不仅影响结构的承载力和安全性，还影响结构的耐久性和长期性能。在钢管制造过程中，应建立覆盖材料、成型、焊接、表面处理、检测全过程的质量控制体系，确保钢管的内在质量和表面质量均满足工程要求。