钢管混凝土收缩变形与钢管混凝土拱收缩应力学习体会

文献概况与工程背景

陈宝春和赖秀英发表于《铁道学报》2016年第38卷第2期的这篇论文，系统研究了钢管混凝土（CFST）构件的收缩变形规律及其在拱桥结构中的收缩应力效应。该工作依托国家自然科学基金（U1305245）资助，由福州大学土木工程学院完成。钢管混凝土拱桥在我国桥梁工程中得到了广泛应用，管内混凝土的收缩变形及其引发的收缩应力是结构受力的重要组成部分，这一问题长期以来缺乏系统的试验研究和理论分析，本研究填补了这一空白。

混凝土收缩是混凝土材料的基本物理化学特性，由水泥水化反应引起的体积变化、水分蒸发引起的干燥收缩以及温度变化引起的热胀冷缩共同作用。在钢管混凝土构件中，钢管对核心混凝土的约束作用使得收缩变形受到限制，从而在混凝土和钢管之间产生收缩自应力。对于钢管混凝土拱桥而言，收缩变形还会通过结构的几何约束产生收缩次应力，这些应力与外部荷载效应叠加，直接影响结构的安全性和耐久性。

试验设计与参数体系

研究以混凝土强度等级和粉煤灰掺量、钢管直径以及含钢率为主要参数，进行了11根钢管混凝土构件和2根素混凝土密闭构件的收缩试验。试验设计的合理性体现在：素混凝土密闭构件作为对照，可以分离出钢管约束效应对收缩变形的影响；钢管混凝土构件的参数化设计则揭示了各因素对收缩变形的独立贡献。

收缩变形规律的系统总结

试验揭示了钢管混凝土收缩变形的四个核心规律，这些规律对于CFST结构的收缩预测和应力分析具有重要的指导意义。

第一，收缩变形随粉煤灰掺量的增加而下降。粉煤灰作为矿物掺合料，其活性组分（SiO₂和Al₂O₃）在碱性环境中发生二次水化反应，生成额外的C-S-H凝胶填充混凝土孔隙，同时粉煤灰的球形颗粒效应降低了混凝土的需水量，减少了水分蒸发引起的干燥收缩。这一规律表明，在CFST拱桥设计中，适当提高粉煤灰掺量有利于减小收缩变形和收缩应力。

第二，收缩变形随混凝土强度等级的提高而增大。高强度混凝土通常具有更低的水灰比和更高的水泥用量，这导致更多的水泥水化产物和更紧密的孔隙结构。虽然紧密的孔隙结构有利于提高强度，但同时也意味着更大的化学收缩量。此外，高强度混凝土的早期刚度较高，收缩变形受到更大的内部约束，进一步加剧了收缩自应力。

第三，收缩变形随含钢率的增大而减小。含钢率是钢管截面积与构件总截面积之比，含钢率越大意味着钢管对核心混凝土的约束作用越强。钢管的高弹性模量和高强度使其能够有效限制混凝土的径向膨胀和收缩，从而减小了混凝土的收缩变形量。这一规律体现了CFST结构中钢管与混凝土协同工作的基本机理。

第四，钢管直径对收缩变形的影响较小。这一结果表明，在含钢率相同的情况下，钢管直径的变化对收缩变形的影响可以忽略不计。这是因为收缩变形主要受约束程度（含钢率）控制，而非钢管的绝对尺寸。

收缩预测模型评价与修正

研究对比了ACI 209R-92、CEB-FIP MC78和CEB-FIP MC90三种常用收缩预测模型的适用性，这一对比分析对于工程实践中的收缩预测具有重要参考价值。

ACI 209R-92模型在粉煤灰掺量不大于20%的范围内预测精度较高，可以作为CFST构件收缩预测的首选模型。当粉煤灰掺量大于20%时，该模型的预测值明显偏大，需要进行修正。修正的方向是引入粉煤灰掺量的修正系数，以反映粉煤灰对收缩的非线性抑制效应。CEB-FIP MC78和CEB-FIP MC90模型的预测结果明显偏小，主要原因是这两个模型未考虑钢管对混凝土收缩的约束效应，也未考虑粉煤灰等矿物掺合料的影响。

收缩应力分析与设计建议

研究对钢管混凝土拱桥的收缩应力进行了系统分析，得出了两个重要结论。

第一，收缩自应力较大，在设计计算中应予以考虑。收缩自应力是混凝土收缩受到钢管约束时在混凝土和钢管之间产生的内力，其量级与混凝土的收缩应变和钢管的约束刚度成正比。对于高强混凝土CFST构件，由于收缩应变较大且钢管约束刚度高，收缩自应力可能达到混凝土抗拉强度的相当比例，需要引起设计人员的重视。

第二，收缩次应力较小，在初步设计的应力估算中可以忽略不计。收缩次应力是由于结构的几何约束（如拱的边界条件）导致的收缩变形不均匀而产生的附加应力。在CFST拱桥中，由于钢管与混凝土的协同工作，收缩变形的不均匀性得到了一定程度的协调，因此收缩次应力的量级相对较小。

研究特别指出，常用的混凝土拱收缩作用的等效降温法不适用于钢管混凝土拱桥。等效降温法的基本假设是收缩变形可以通过等效的温度变化来模拟，但钢管混凝土拱的收缩变形变化范围大，合理降温值的确定难度大，且该方法无法计算比重较大的收缩自应力。这一结论纠正了工程实践中将混凝土拱的收缩分析方法直接套用于CFST拱的常见误区。

与钢管制造和焊接工艺的关联

从钢管制造和焊接工艺的角度审视，CFST拱桥的收缩应力问题与以下制造因素密切相关：

钢管的焊接质量直接影响CFST构件的约束均匀性。如果钢管焊缝区域存在残余应力或微观组织不均匀，该区域的约束刚度可能与焊缝外区域不同，导致收缩应力分布不均匀，在焊缝附近产生应力集中。对于CFST拱桥用大口径钢管，通常采用LSAW或SSAW工艺制造，焊缝区域的PWHT处理对于消除残余应力、保证约束均匀性至关重要。

钢管的几何精度（圆度、直线度）也影响CFST构件的收缩行为。钢管的椭圆度会导致混凝土与钢管之间的接触不均匀，在某些区域产生间隙，降低约束效果。在钢管制造过程中，应严格控制钢管的几何公差，确保其圆度和直线度满足CFST构件的制造要求。

钢管的表面质量同样重要。钢管内壁的氧化皮、焊接飞溅等表面缺陷会降低钢管与混凝土之间的粘结力，影响约束效应的充分发挥。在CFST构件的制造过程中，钢管内壁应进行适当的表面处理（如喷砂、酸洗等），以去除影响粘结的表面缺陷。

学习总结

这篇文献通过系统的收缩试验和理论分析，揭示了钢管混凝土构件收缩变形的控制因素和收缩预测模型的适用条件，为CFST拱桥的收缩应力计算提供了可靠的理论基础。粉煤灰掺量对收缩的抑制效应、含钢率对收缩的约束效应、以及ACI 209R-92模型在低掺量粉煤灰条件下的适用性，这些核心发现对CFST结构的材料选择和设计计算具有重要的指导意义。等效降温法不适用于CFST拱的结论，纠正了工程实践中的一个常见误区，体现了研究者严谨的科学态度。作为从事钢管制造与焊接工艺的技术人员，我认识到钢管的几何精度、焊接质量和表面状态对CFST构件的收缩行为有直接影响，需要在制造阶段就为CFST构件的长期性能奠定基础。