脱粘对钢管混凝土拱温度应力及内力影响分析——文献学习体会

一、文献概况与研究背景

刘振宇和郭子雄（华侨大学土木工程学院）在《华侨大学学报（自然科学版）》2012年第33卷第2期发表的这篇论文，选取钢管混凝土单圆管拱、哑铃型拱和桁拱3座桥例为工程背景，结合有限元法分析了脱粘对温度应力及内力的影响。该研究依托福建省自然科学基金（2011J05134）和华侨大学高层次人才科研启动项目（10BS318）资助，聚焦于钢管混凝土拱桥这一特殊结构形式在温度作用下的力学行为。

钢管混凝土拱桥因其自重轻、跨度大、美观性好等优点，在桥梁工程中应用日益广泛。然而，钢管与核心混凝土之间的粘结性能（即是否发生脱粘）会显著影响结构的温度响应和内力分布。脱粘现象在实际工程中较为常见，其成因包括：施工期间混凝土浇筑不密实、钢管表面预处理不当、温度循环导致的界面开裂等。

二、核心概念与技术分析

2.1 脱粘的物理机制

钢管混凝土结构中的脱粘是指钢管内壁与核心混凝土之间的粘结界面发生分离，形成间隙或裂缝。脱粘的发生和发展受以下因素影响：

• 温度差异：钢管和混凝土的热膨胀系数不同（钢材约12×10⁻⁶/°C，混凝土约10×10⁻⁶/°C），在温度变化时两者产生差异变形，导致界面剪切应力增大，可能引发脱粘。
• 混凝土收缩：混凝土在硬化过程中发生收缩，可能导致界面脱粘。
• 施工因素：混凝土浇筑时振捣不充分、钢管内壁有油污或锈蚀等，会降低界面粘结强度。
• 长期荷载作用：在长期荷载作用下，界面可能因蠕变和疲劳而发生渐进式脱粘。

2.2 温度应力与温度内力

温度应力是指温度变化引起的自平衡应力，即在结构内部自成平衡的应力，不产生外部反力。温度内力是指温度变化引起的整体内力（如轴力、弯矩），需要外部支座约束来平衡。

2.3 三种拱桥形式的对比分析

论文选取了三种不同形式的钢管混凝土拱桥进行分析：

1. 单圆管拱：钢管截面为圆形，内部填充混凝土，结构简单，脱粘影响相对较小。
2. 哑铃型拱：由两根圆形钢管通过横隔板连接，形成哑铃形截面，脱粘对截面特性的影响较为复杂。
3. 桁拱：由钢管桁架结构填充混凝土，脱粘对结构整体性的影响最为显著。

三、研究结果与工程启示

3.1 脱粘对温度的影响

研究表明，脱粘使得夏季的平均温度降低，冬季的平均温度升高，但总体上脱粘与无脱粘的平均温度相差很小。这一结果的物理含义是：脱粘导致钢管与混凝土之间的热传递效率降低，使得两者之间的温度梯度增大。在夏季，钢管表面温度较高但混凝土温度较低，平均温度略低于无脱粘情况；在冬季则相反。

3.2 脱粘对温度自应力的影响

脱粘使得钢管的温度自应力增大，核心混凝土的温度自应力减小。其原因是：脱粘后钢管与混凝土之间的约束作用减弱，钢管在温度变化时更自由地膨胀或收缩，但由于截面温度不均匀（如日照导致的温度梯度），钢管内部的温度自应力反而增大。而混凝土由于约束减弱，温度自应力减小。

研究特别指出，脱粘导致的温度自应力超过了拱肋自重产生的应力。这一发现具有重要的工程意义——在钢管混凝土拱桥的设计中，如果忽略脱粘的影响，可能低估温度自应力，导致结构安全储备不足。

3.3 脱粘对温度内力的影响

研究结果表明，脱粘对钢管混凝土单圆管拱和哑铃形拱的温度内力基本上没有影响，但对桁肋拱的温度内力有较大的影响。这一差异的原因在于：单圆管拱和哑铃形拱的整体性较强，脱粘对截面刚度和整体变形模式的影响较小；而桁肋拱的结构形式较为复杂，脱粘会显著改变桁架节点的约束条件和力的传递路径，从而对温度内力产生较大影响。

四、与工程实践的结合

4.1 脱粘的预防与检测

在钢管混凝土拱桥的施工中，预防脱粘的关键措施包括：

• 钢管内壁预处理：清除油污、锈蚀，必要时进行粗糙化处理或涂覆增强粘结的界面剂。
• 混凝土配合比优化：采用微膨胀混凝土或添加膨胀剂，补偿混凝土收缩。
• 浇筑工艺控制：确保混凝土浇筑密实，振捣充分，避免形成空洞或夹层。
• 温度控制：在浇筑和养护期间控制环境温度，避免温度骤变导致的界面应力集中。

脱粘的检测方法包括：

• 敲击法：通过敲击钢管表面，根据声音判断是否存在脱粘区域。
• 超声波检测：利用超声波在界面处的反射特性，检测脱粘范围和程度。
• 红外热成像：利用钢管与混凝土之间温度差异，通过红外热像仪检测脱粘区域。

4.2 设计中的脱粘考虑

对于钢管混凝土拱桥的设计，建议采取以下措施考虑脱粘的影响：

• 截面分析模型：在有限元分析中，采用考虑界面脱粘的接触模型（如罚函数法或拉格朗日乘子法），而非简单的"完全粘结"假设。
• 温度工况组合：在温度工况设计中，考虑脱粘对温度应力和内力的影响，适当增加安全系数。
• 构造措施：在关键部位（如拱脚、拱顶）设置额外的约束措施，以减小脱粘的影响。

五、学习心得与总结

这篇文献的研究揭示了脱粘这一常被忽视的因素对钢管混凝土拱桥温度应力和内力的重要影响。从钢管制造和焊接的角度看，钢管混凝土拱桥中使用的钢管，其焊接质量和几何精度会直接影响钢管与混凝土之间的粘结性能。焊缝处的几何不连续（如焊缝余高、凹陷）可能成为脱粘的起始点，因此焊接工艺的质量控制对于预防脱粘具有重要意义。该研究对于钢管混凝土拱桥温度应力的计算和设计具有重要的指导意义，提醒工程技术人员在设计和分析中充分考虑脱粘的影响，特别是在桁肋拱等复杂截面形式中，脱粘的影响不可忽略。