大跨径钢管混凝土拱桥管内混凝土顶升灌注工艺文献学习体会

研究背景与工程挑战

本文发表于2023年《公路交通科技》第40卷第3期，由四川交通职业技术学院赵艺程等学者联合四川省公路规划勘察设计研究院和西华大学共同完成。研究针对大跨径钢管混凝土拱桥主拱管内混凝土顶升灌注这一关键工序，通过工艺试验揭示了混凝土在泵送过程中的流变特性变化规律，提出了针对不同管径的泵送压力计算方法。

大跨径钢管混凝土拱桥是当代桥梁工程的重要结构形式，其主拱管内混凝土灌注是施工中最具技术难度的工序之一。管内混凝土方量大、强度高、泵送距离远、灌注时间长，国内已有多座桥梁发生堵管、爆管事故。从钢管制造和焊接的角度看，这些事故往往与钢管的焊接质量、钢管的几何精度以及钢管的承压能力密切相关。

试验结果表明，混凝土经历高压泵送过程后，其坍落度、扩展度和塑性黏度有所降低，但对抗压强度影响不明显。这一发现具有重要的工程指导意义：

从钢管焊接的角度看，混凝土在泵送过程中的性能变化类似于焊接过程中热影响区的性能演变——材料经历了外部载荷（泵送压力/焊接热输入）后，其微观组织和宏观性能发生了变化。不同的是，混凝土的性能变化是可逆的（含气量恢复），而焊接热影响区的性能变化通常是不可逆的。

研究揭示了一个重要的发现：混凝土在大直径主拱钢管和小直径泵管内的运动模式存在明显差异。

在大直径主拱钢管内，混凝土运动速度极慢，以管内混凝土自身剪切运动为主。这种运动模式下，混凝土内部产生剪切变形，类似于粘性流体在管道中的层流状态。泵送压力主要用来克服重力做功。

在小直径泵管内，混凝土运动速度较快，以活塞式整体推移运动为主。这种运动模式下，混凝土整体向前移动，泵送压力主要用来克服管壁摩阻力和混凝土自身剪切力。

这一差异对钢管制造和焊接提出了具体要求：

第一，大直径主拱钢管的焊接质量直接影响混凝土灌注的均匀性。焊缝区域的几何不连续（如焊缝余高、焊脚尺寸偏差）可能成为混凝土流动的阻力点，导致局部填充不密实。

第二，钢管的直线度和椭圆度控制标准需要更加严格。椭圆度超标的钢管可能导致混凝土与钢管之间的间隙不均匀，形成局部薄弱区域。

第三，钢管内壁的清洁度和光滑度直接影响泵送过程中的摩阻力。内壁的氧化皮、焊接飞溅等附着物会增加摩阻力，增大泵送压力需求。

作者针对不同管径提出了差异化的泵送压力计算方法：

这一计算方法通过工程实例验证了其适用性。从钢管承压设计的角度看，管内混凝土泵送过程中产生的压力是钢管承受的一种特殊载荷。钢管的承压能力取决于其壁厚、材质强度和焊缝质量。

对于大跨径拱桥的主拱钢管，壁厚通常在20～40 mm范围内，采用高强度钢（如Q345、Q370）制造。钢管的焊缝（通常为对接焊或埋弧焊）是承压能力的薄弱环节。焊缝的力学性能、无损检测合格率以及焊后热处理状态，直接决定了钢管在泵送压力作用下的安全性。

基于本文研究，从钢管制造和焊接质量控制的角度，提出以下建议：

第一，主拱钢管的焊缝应优先采用全熔透焊接，并进行100%无损检测（RT或UT），确保焊缝质量等级达到GB/T 3323Ⅱ级或更高标准。

第二，钢管内壁的焊接飞溅和氧化皮应在混凝土灌注前彻底清除，可采用机械打磨或喷砂处理，确保内壁清洁度和粗糙度满足要求。

第三，钢管的几何精度（直线度、椭圆度、壁厚偏差）应符合设计要求的公差范围，建议直线度偏差控制在L/1000以内，椭圆度偏差控制在2%以内。

第四，泵送前应进行试泵送，验证泵送压力计算方法，并根据实际泵送压力调整钢管的承压校核参数。

本文的研究成果为大跨径钢管混凝土拱桥的施工工艺提供了科学依据。管内混凝土运动模式差异的发现，为泵送压力计算方法的改进提供了理论基础。

从钢管制造和焊接的角度看，本文提示我们：钢管混凝土拱桥的施工质量是一个系统性问题，钢管的制造精度、焊接质量和内壁处理直接决定了混凝土灌注的成功与否。在实际工程中，应当建立从钢管制造到混凝土灌注的全过程质量控制体系，确保每一道工序的质量满足后续工序的要求。