脱粘圆形钢管混凝土拱肋极限荷载试验研究学习体会

文献概况

本文发表于2016年《广西大学学报（自然科学版）》第41卷第4期，由广西大学土木建筑工程学院林春姣等作者完成，依托中国工程院咨询项目、广西自然科学基金等多项资助。研究将一根圆截面钢管混凝土拱肋成型后置于实验室发生自然脱粘，对脱粘后的拱肋进行了四分点处单点非对称加载至破坏的模型试验，并与现行规范方法进行了对比分析。

脱粘现象的工程意义

钢管混凝土拱肋在施工和使用过程中，钢管与混凝土之间可能发生不同程度的脱粘现象。脱粘的原因包括：混凝土浇筑不密实、养护条件不良、温度变化引起的热胀冷缩差异、以及长期荷载作用下的界面滑移等。脱粘的发生意味着钢管与混凝土之间的约束效应减弱，直接影响构件的承载能力和延性表现。

从钢管制造与焊接的角度来看，脱粘问题与钢管的表面质量、几何精度密切相关。钢管内壁的粗糙度、氧化层、以及焊接残留物都会影响混凝土与钢管的界面粘结性能。在实际施工中，钢管内壁的清理和处理是确保界面粘结质量的关键工序。

脱粘对结构性能的影响量化

评估指标	无脱粘（理论值）	脱粘后（实测值）	偏差幅度	工程意义
极限荷载	基准值	降低约10%	-10%	承载力下降但仍具安全储备
荷载-挠度曲线延性	基准延性	仍表现较大延性	变化不大	结构韧性保持良好
荷载-应变曲线	基准曲线	略有降低	小幅变化	材料利用率略有下降
规范计算值对比	—	高于规范值约40%	+40%	规范偏保守

试验设计与加载方案分析

模型试验设计要点

本文的试验设计具有独特的创新性——采用"自然脱粘"而非人为制造脱粘的方式。这一设计选择更接近工程实际，因为自然脱粘的界面状态（脱粘程度、脱粘位置、界面粗糙度等）具有随机性和复杂性，是人为模拟难以完全复现的。

试验采用四分点处单点非对称加载方式，这一加载模式能够产生弯矩和轴力的组合作用，更接近拱肋在实际使用中的受力状态。非对称加载还会产生扭矩效应，对脱粘后的界面行为产生额外影响。

从钢管选型角度来看，拱肋用钢管应满足以下要求：

材质：Q345B或Q390B及以上等级，保证足够的屈服强度和延性。
壁厚：根据拱肋受力计算确定，通常10~20 mm。
焊接：拱肋由多节钢管焊接组装而成，焊缝质量直接影响整体承载性能。
几何精度：圆度偏差控制在直径的±0.5%以内，避免局部应力集中。

加载过程与破坏特征

试验结果表明，脱粘后的钢管混凝土拱肋在加载过程中仍表现出较大的延性，荷载-挠度曲线和荷载-应变曲线未出现突然断裂或脆性破坏的特征。这一发现具有重要的工程安全意义——即使发生脱粘，结构仍具有充足的变形储备和预警能力。

从焊接角度分析，拱肋的破坏模式与焊缝质量密切相关。若焊缝存在未熔合、裂纹等缺陷，脱粘后的应力重分布可能导致焊缝区域成为薄弱环节，引发脆性断裂。因此，拱肋焊缝的质量控制应作为关键工序进行严格管理。

与现行规范的对比分析

规范方法的适用性评估

本文将试验结果与《钢管混凝土拱桥技术规范》（GB 50923-2013）等现行规范方法进行了对比，发现脱粘后的实测极限荷载比规范计算值高出约40%。这一结果表明现行规范在脱粘工况下的计算偏于保守。

从工程实践角度思考，规范偏保守并不一定是不利的。保守的设计为结构提供了额外的安全储备，特别是在脱粘原因复杂、难以精确量化的情况下。然而，过度保守可能导致材料浪费和造价增加，需要在安全性和经济性之间寻找平衡。

规范修订建议

基于本文的研究成果，提出以下规范修订建议：

在钢管混凝土拱桥设计规范中增加脱粘工况的承载力计算方法，明确脱粘程度的分级标准和对应的承载力折减系数。
建立钢管与混凝土界面粘结性能的检测方法，如超声脉冲回波法、拉拔试验等，为脱粘评估提供技术手段。
在规范中明确钢管内壁处理的质量要求，包括粗糙度、清洁度等指标，从源头上减少脱粘发生的可能性。

钢管与混凝土界面行为深度分析

界面粘结的力学机制

钢管与混凝土之间的界面粘结力由以下机制共同贡献：

机械咬合力：钢管内壁的粗糙度与混凝土骨料之间的机械互锁。
化学粘结力：钢管表面氧化层与混凝土水化产物之间的化学键合。
摩擦力：钢管对混凝土的径向约束产生的正压力引起的摩擦。
约束效应：钢管限制混凝土的横向膨胀，提高混凝土的抗压强度。

在脱粘发生后，上述粘结机制中的部分或全部失效，导致界面传递能力下降。但研究结果表明，即使发生自然脱粘，界面仍保留一定的约束效应和摩擦力，这是脱粘后承载力仅降低约10%的主要原因。

钢管表面处理对界面性能的影响

从钢管制造和焊接的角度，以下表面处理措施可改善界面粘结性能：

处理方式	效果	适用场景	注意事项
喷砂处理	提高表面粗糙度，增强机械咬合	新建工程	控制粗糙度Ra值在40~80 μm
化学除锈	去除氧化层，改善化学粘结	新建工程	处理后及时浇筑混凝土
涂覆界面剂	增强化学粘结力	新建工程	选择与混凝土相容的界面剂
内壁焊接剪力键	提供机械抗剪连接	新建或加固工程	剪力键高度宜为钢管壁厚的1.5~2倍
内壁焊接环形肋板	增强抗滑移能力	高应力区域	间距根据应力分析确定

学习心得与工程实践启示

本文的研究成果对钢管混凝土拱桥的设计、施工和检测具有重要的参考价值。作为一名钢管与焊接技术专家，我认为该研究最大的贡献在于揭示了脱粘工况下结构的真实承载能力，为工程评估提供了可靠的试验数据。

从钢管制造和焊接行业角度来看，该研究提示我们关注以下方面：

第一，钢管内壁质量的重要性。钢管内壁的清洁度、粗糙度和几何精度直接影响界面粘结性能，进而影响构件的长期承载能力。建议在钢管出厂标准中增加内壁质量的相关要求。

第二，焊接接头的长期可靠性。拱肋由多节钢管焊接组装而成，焊缝在长期荷载和脱粘应力重分布作用下的疲劳性能需要深入研究。建议开展焊缝长期服役性能的跟踪监测研究。

第三，检测技术的创新应用。脱粘的检测是工程评估中的难点，传统的无损检测方法（如RT、UT）难以有效识别界面脱粘。建议探索新的检测技术，如声发射监测、红外热成像、或基于光纤传感器的界面应变监测等。

总体而言，该研究体现了"缺陷容忍"的设计理念——即使发生脱粘，结构仍具有足够的承载能力和延性。这一理念对工程实践具有积极的指导意义，有助于在安全性和经济性之间建立更合理的平衡。