钢管混凝土拱肋水化热温度场足尺节段试验研究的学习体会

文献概况与工程背景

本文发表于《应用基础与工程科学学报》2024年第32卷第2期，由重庆交通大学省部共建山区桥梁及隧道工程国家重点实验室团队完成，依托雅鲁藏布江特大桥工程开展研究。研究针对山区大跨钢管混凝土拱桥在水化热、太阳辐射、大温差联合作用下的温度场分布特征及演变机理，开展了足尺节段试验和瞬态热分析研究，提出了水化热温度场计算方法。这一研究方向对于高海拔、大温差地区钢管混凝土拱桥的设计与施工具有重要的工程指导意义。

试验方案与温度场特征

研究依托雅鲁藏布江特大桥，开展了强辐射-大温差联合作用下大跨钢管混凝土拱桥节段水化热温度场足尺试验研究。

从热应力分析角度，向阳侧最大正温差接近30℃、最大负温差接近40℃的温度梯度将产生显著的热应力。对于钢管混凝土拱肋而言，钢管与混凝土的热膨胀系数差异（钢管约12×10⁻⁶/℃，混凝土约10×10⁻⁶/℃）在温度梯度作用下将产生界面应力，可能导致界面脱粘或钢管局部屈曲。

温度场计算方法与验证

研究提出了水化热温度场计算方法，建立了温度与太阳辐射、风速、环境温度的直接理论关系。该方法在适用性上不受气候环境限制，公式计算结果与试验结果及有限元结果吻合良好。

从工程应用角度，这一计算方法具有以下优势：

1. 通用性强：不受特定气候环境限制，适用于不同地区的钢管混凝土拱桥设计。
2. 计算简便：建立了温度与环境参数的直接理论关系，避免了复杂的有限元分析。
3. 精度可靠：计算结果与试验及有限元结果吻合良好，满足工程设计精度要求。

对于钢管混凝土拱桥施工而言，水化热温度场的准确预测对于混凝土浇筑时机选择、养护措施制定、温度应力控制等方面具有直接指导意义。建议在以下方面加以应用：

• 混凝土浇筑时机选择：根据温度场预测结果，选择环境温度较低、太阳辐射较弱的时段进行浇筑，减少水化热与环境温度的叠加效应。
• 养护措施制定：根据温度梯度预测结果，确定养护开始时间和养护持续时间，确保混凝土强度发展和温度稳定。
• 温度应力控制：根据温度场分布特征，在关键部位设置温度监测点，实时监控温度变化，及时调整施工措施。

低辐射吸收率材料的工程应用

研究指出涂抹低辐射吸收率材料可有效减小温度梯度。这一发现对于钢管混凝土拱桥的耐久性设计和温度控制具有重要意义。低辐射吸收率材料（如白色涂料、反射膜等）通过降低钢管表面太阳辐射吸收率，减少钢管表面温度，从而降低径向温度梯度。

从钢管制造与防腐涂层角度，低辐射吸收率材料的选择需要考虑以下因素：

1. 耐候性：在高海拔、强紫外辐射环境下，涂层需具有良好的耐候性能。
2. 附着力：涂层与钢管表面的附着力需满足长期服役要求。
3. 热反射率：涂层的热反射率需满足温度控制要求，一般要求太阳辐射反射率不低于0.6。
4. 与防腐涂层的兼容性：低辐射吸收率材料需与钢管防腐涂层体系兼容，避免涂层间相互影响。

关键疑问与工程建议

本文研究存在若干值得进一步探讨的问题。首先，足尺节段试验的温度场分布规律是否完全适用于全长拱肋结构，需要考虑结构边界条件的影响。其次，长期服役条件下钢管与混凝土界面在反复温度循环作用下的性能退化规律尚未阐明。第三，水化热温度场计算方法在考虑混凝土徐变和收缩等时间相关变形时的适用性需要验证。

从钢管焊接与拱肋组装角度，钢管混凝土拱肋通常由多段钢管焊接或法兰连接组装而成。焊接接头和法兰连接部位是温度应力集中的薄弱环节，在温度梯度作用下容易产生裂纹或变形。建议在以下方面加以关注：

• 焊接接头设计：采用全焊透焊缝，确保接头强度与母材匹配。
• 焊接质量控制：采用超声波检测或射线检测确保焊缝质量，避免未焊透、气孔等缺陷。
• 温度应力释放：在拱肋组装过程中预留适当的温度补偿间隙，允许结构在温度变化时自由变形。
• 节点设计：拱肋与拱座、横撑等连接节点应采用铰接或半铰接设计，减少温度应力传递。

学习心得与总结

本文通过足尺节段试验和理论分析，揭示了山区大跨钢管混凝土拱桥水化热温度场的分布特征及演变机理，提出了具有通用性的温度场计算方法。研究结果表明，径向温度场夜间呈对称三折线分布、正午呈非对称三折线分布，周向温度场呈半波比值接近5:1的正弦曲线分布，向阳侧最大温差可达30-40℃。作为钢管与桥梁领域的技术人员，我深刻认识到温度场控制是钢管混凝土拱桥设计与施工的关键环节，需要从材料选择、结构设计、施工工艺、养护措施等多方面进行综合管控。未来应加强长期服役条件下温度疲劳性能研究和温度场计算方法在复杂结构中的应用验证，推动钢管混凝土拱桥技术在山区大跨桥梁中的安全应用。