钢管混凝土拱计算合龙温度试验研究的学习体会

一、文献概况与工程背景

林春姣等发表于《广西大学学报（自然科学版）》2010年第35卷第4期（第601-609页）的这篇论文，针对钢管混凝土拱桥拱肋成型过程中的温度效应问题，开展了系统的试验观测研究。该研究由国家西部交通建设科技项目（200431881426）和广西大学科研基金项目（X091013）资助，具有明确的工程应用导向。

钢管混凝土拱桥是我国大跨径拱桥的主流结构形式之一，以其高承载力、大跨度和优美的线形受到广泛青睐。拱肋的合龙温度是钢管混凝土拱桥设计中的关键参数，直接影响结构的内力分布和线形控制。然而，拱肋成型过程中混凝土水化热产生的温度效应使合龙温度的确定变得复杂——混凝土浇筑后，水化热使混凝土温度升高，随后逐渐降温至环境温度，这一温度变化过程会在钢管和混凝土中产生残余温度应力。

二、试验方案与观测方法

2.1 试验对象与过程

试验采用单圆管截面的钢管混凝土拱肋进行测试，完整记录了从空钢管合龙至形成钢管混凝土拱肋的全过程。这一试验设计的精妙之处在于：它模拟了实际施工的全过程，能够真实反映温度效应在不同施工阶段的变化规律。

试验观测的时间节点包括：

2.2 温度效应的观测

试验对拱肋成型过程中的结构温度场和温度效应进行了连续观测。温度场的观测包括钢管和混凝土在不同深度、不同位置的实测温度，温度效应的观测包括由温度变化引起的内力变化。

三、温度效应变化规律

3.1 水化热对残余温度应力的影响

试验及分析结果表明：

1. 水化热对拱肋成型后钢管的残余温度应力影响很小。这一结论可能与钢管的导热性能较好有关——钢管能够较快地将热量传导出去，温度梯度较小，因此产生的残余应力也较小。
2. 水化热对混凝土的残余温度应力有较大影响。混凝土的导热系数远低于钢材，水化热在混凝土内部积聚，形成较大的温度梯度，从而产生显著的残余温度应力。

这一发现对工程实践具有重要指导意义：在评估水化热对结构的影响时，应重点关注混凝土的残余温度应力，而钢管的残余温度应力可以忽略不计。

3.2 计算合龙温度的确定方法

基于试验实测数据，研究提出了钢管混凝土拱桥计算合龙温度的确定方法：

1. 将管内混凝土浇注后7天的大气平均温度作为拱肋成型时的结构温度。
2. 取水化热结束后的结构残余温度内力作为对应的截面温度内力进行计算。

这一方法的物理意义在于：混凝土浇筑后7天，水化热基本释放完毕，结构温度趋于稳定；此时的结构温度即为拱肋成型完成时的实际温度状态，可以作为计算合龙温度的基准。

四、与工程实践的结合

4.1 合龙温度对拱桥内力的影响

合龙温度是钢管混凝土拱桥设计中的关键参数。合龙温度的确定直接影响拱肋的初始内力状态，进而影响成桥后的内力分布。如果合龙温度确定不准确，可能导致以下问题：

• 拱肋内力偏大——合龙温度偏低，拱肋被过度压缩，成桥后内力偏大。
• 拱肋内力偏小——合龙温度偏高，拱肋被过度拉伸，成桥后内力偏小。
• 拱轴线形偏差——合龙温度偏差导致拱肋变形，成桥后线形与设计不符。

4.2 施工温度控制建议

基于本研究结论，在实际施工中建议：

1. 在混凝土浇筑后7天内，密切监测拱肋温度变化，记录温度数据，为合龙温度计算提供依据。
2. 在确定合龙温度时，应采用混凝土浇筑后7天的大气平均温度，而非浇筑当天的温度。
3. 在计算模型中，应计入水化热结束后的残余温度内力，确保计算结果准确反映结构的实际状态。
4. 对于大跨径拱桥，水化热效应更为显著，建议采用分层浇筑、预埋冷却水管等措施控制混凝土温度。

4.3 钢管焊接与温度效应的交互作用

从焊接工艺角度，钢管混凝土拱肋的钢管焊接质量直接影响结构的整体性能。钢管焊接过程中产生的残余应力与混凝土水化热产生的温度应力叠加，可能影响钢管的应力状态。

在实际施工中，应合理安排钢管焊接与混凝土浇筑的顺序，避免焊接残余应力与水化热温度应力叠加。建议先完成钢管焊接和合龙，待焊接残余应力释放后再进行混凝土浇筑。同时，焊接工艺应严格控制热输入，减少焊接残余应力，降低与水化热效应的交互影响。

五、学习心得与启示

这篇文献的研究方法体现了"试验观测+理论分析+工程应用"的完整研究链条。通过对拱肋成型全过程的连续观测，研究揭示了水化热效应的变化规律，提出了切实可行的计算合龙温度确定方法，为钢管混凝土拱桥的设计提供了可靠的理论依据。

对于从事钢管制造和焊接技术的人员而言，这篇文献的启示在于：钢管混凝土结构中，钢管与混凝土并非独立工作，而是通过界面相互作用形成整体。钢管的焊接质量、钢管的温度传导特性、钢管与混凝土的界面粘结性能，都会影响结构的整体性能。在钢管焊接工艺设计中，应充分考虑钢管在混凝土中的服役环境，选择适当的焊接材料和焊接参数，确保焊接接头在温度变化和混凝土约束条件下的长期可靠性。

水化热效应的研究也提示我们：在钢管混凝土结构的设计与施工中，温度是一个不可忽视的因素。从钢管焊接到混凝土浇筑，从施工到运营，温度变化贯穿结构的全寿命周期。只有充分认识温度效应的影响规律，才能在设计和施工中采取有效的控制措施，确保结构的安全性和耐久性。