钢管拱桥管内混凝土真空辅助灌注试验及实桥应用的学习体会

文献概况与工程背景

本文发表于2015年《桥梁建设》第45卷第2期，作者韩玉来自重庆交通大学与广西路桥工程集团有限公司，依托主跨530 m的合江长江一桥工程，设计并完成了2条长达50 m的大型钢管模型对比试验，研究真空辅助灌注工艺对钢管混凝土拱桥管内混凝土脱空问题的改善效果。钢管混凝土拱桥是大跨度桥梁的重要结构形式，其钢管拱肋通常采用Q345qD或Q370qD高强钢，壁厚30～50 mm，管内灌注C50～C80高性能混凝土。管内混凝土灌注密实度是保证钢管-混凝土协同工作的关键，脱空问题将导致局部应力集中、刚度下降，甚至引发结构安全隐患。

真空辅助灌注工艺原理

真空辅助灌注工艺的核心原理是利用真空负压降低管内气压，使混凝土在大气压差作用下流入管内，同时排除管内残余气体。与传统泵送工艺相比，真空辅助灌注具有以下优势：

工艺参数	传统泵送	真空辅助灌注	改善效果
管内气压	常压	-0.05～-0.08 MPa	降低30%～50%
混凝土流动阻力	较大	较小	降低20%～30%
脱空率	5%～15%	<1%	降低80%以上
脱空深度	50～150 mm	<20 mm	降低70%以上
灌注速度	0.3～0.8 m/min	0.5～1.0 m/min	提高30%～50%

工作机理分析

真空辅助灌注的工作机理可归纳为以下几点：

气压差驱动：管内真空负压与管外大气压形成压差，驱动混凝土流入管内。
气体排除：真空负压将管内残余气体从排气口抽出，减少气体对混凝土流动的阻碍。
混凝土密实：在真空负压作用下，混凝土中的气泡被压缩，提高混凝土密实度。
均匀填充：真空负压使混凝土在管内均匀分布，减少局部脱空。

钢管制造与焊接质量对真空辅助灌注的影响

从钢管制造与焊接的角度，真空辅助灌注工艺的成功实施有赖于以下制造质量前提：

钢管几何精度

精度项目	技术要求	检测方法	对灌注的影响
直线度	≤1/1000 管长	激光测距	影响混凝土流动均匀性
圆度	≤2% 管径	卡尺	影响真空密封性
焊缝余高	≤1 mm	焊缝检测尺	影响混凝土流动与真空度
管内平整度	无凸起、无焊渣	目视+内窥镜检查	影响混凝土填充与排气

焊接质量控制

钢管拱肋的焊接质量对真空辅助灌注的影响主要体现在以下几个方面：

管内焊缝余高：管内焊缝余高过大将形成局部凸起，阻碍混凝土流动，在真空负压下可能形成局部空腔。建议焊后采用砂轮打磨或碳弧气刨修磨，将余高控制在1 mm以内。
焊缝缺陷：管内焊缝的未熔合、夹渣、气孔等缺陷将降低焊缝强度，在真空负压与混凝土侧压力作用下可能产生微裂纹，影响真空密封性。建议对管内焊缝进行100% UT检测，确保焊缝质量。
加劲环焊缝：管内加劲环焊缝质量直接影响混凝土灌注时的局部密封性。若加劲环焊缝存在缺陷，混凝土可能渗入焊缝，形成局部脱空。建议加劲环焊缝采用全熔透焊，焊后打磨平整。
锚箱焊缝：锚箱作为拱肋内的关键受力构件，其焊缝质量直接影响真空辅助灌注的密封性。若锚箱焊缝存在裂纹或夹渣，真空负压将导致锚箱内部漏气，影响真空度。建议锚箱焊缝采用一级焊缝标准，焊后进行水压试验或气密性试验。

试验设计与结果分析

该文设计并完成了2条长达50 m的大型钢管模型对比试验，分别采用传统泵送工艺与真空辅助灌注工艺完成钢管混凝土的灌注。试验结果如下：

超声波检测结果对比

检测项目	传统泵送	真空辅助灌注	改善幅度
脱空面积率	8.5%	0.8%	降低90.6%
最大脱空深度	120 mm	15 mm	降低87.5%
脱空位置	加劲环附近、焊缝处	极少	显著改善
混凝土密实度	不均匀	均匀	显著提高

剖开直观对比

将试验管剖开后直观观察管内混凝土，真空辅助灌注工艺灌注的管内混凝土密实均匀，无可见脱空；传统泵送工艺灌注的管内混凝土存在多处脱空，脱空位置主要集中在加劲环附近与焊缝处。

工艺改进与实桥应用

试验中发现原设计真空辅助工艺存在以下不足：

真空度控制不稳定：真空泵抽气速度与混凝土灌注速度不匹配，导致真空度波动。
排气口布置不合理：排气口间距过大，局部区域排气不充分。
混凝土配合比适应性差：原配合比坍落度偏低，在真空负压下流动性不足。

针对上述不足，提出以下改进方法：

优化真空度控制：采用变频真空泵，根据混凝土灌注速度自动调节抽气速度，保持真空度稳定。
优化排气口布置：根据管段长度与混凝土流动性，将排气口间距从5 m缩短至3 m，并在加劲环附近增设排气口。
优化混凝土配合比：提高坍落度至180～220 mm，增加减水剂用量，提高混凝土在真空负压下的流动性。

改进后的真空辅助灌注工艺应用于合江长江一桥工程，真正实现了全过程真空辅助灌注施工。实桥应用结果表明：

管内混凝土灌注阶段密实性良好，超声波检测脱空面积率<1%。
后期脱空范围显著减小，脱空深度<20 mm。
钢管-混凝土协同工作性能良好，结构刚度与承载力满足设计要求。

焊接工程实践启示

从钢管制造与焊接的角度，真空辅助灌注工艺的成功实施对钢管制造提出了更高要求：

钢管制造精度提高：真空辅助灌注对钢管几何精度要求更高，直线度、圆度、焊缝余高等指标需严格控制，建议在钢管制造阶段增加内窥镜检查工序。
焊缝质量等级提高：真空负压与混凝土侧压力的共同作用下，焊缝缺陷更容易导致漏气或脱空，建议将管内焊缝质量等级从二级提高到一级，并进行100%无损检测。
焊后处理工序增加：管内焊缝焊后需进行打磨平整处理，去除焊渣与余高，建议在钢管制造阶段增加焊后打磨工序，采用专用打磨设备确保打磨质量。
密封性试验增加：钢管拱肋制造完成后，建议进行气密性试验或真空试验，验证管内焊缝与加劲环焊缝的密封性，确保真空辅助灌注的密封条件。

总结

该文通过系统的模型试验与实桥应用，证明了真空辅助灌注工艺在解决钢管混凝土拱桥管内混凝土脱空问题方面的有效性，并获得了发明专利，已推广应用于3座特大桥。从钢管制造与焊接的角度看，真空辅助灌注工艺的成功实施需要钢管制造端与施工端的协同配合——制造端确保钢管几何精度与焊缝质量，施工端严格控制真空度、混凝土配合比与灌注工艺。只有将钢管焊接质量控制与真空辅助灌注工艺优化有机结合，才能真正实现钢管混凝土构件的密实可靠，为大跨度拱桥工程的安全提供坚实保障。该研究成果对钢管混凝土拱桥工程的设计、制造与施工质量控制具有重要的参考价值，值得工程技术人员深入学习和推广。