脱空对上承式钢管混凝土拱桥整体稳定性能影响的学习体会

文献概况

本文发表于2017年《天津城建大学学报》第23卷第1期，作者来自天津城建大学和中铁十八局集团第二工程有限公司，以正在建设的西溪河双线铁路大桥为背景，建立了上承式钢管混凝土拱桥的有限元模型，分析了脱空位置、内倾角和脱空率对拱桥第一类与第二类稳定性的影响。研究表明，拱脚脱空对拱桥稳定性危害最大，内倾角的合理设置能提高横向刚度，核心混凝土套箍作用的失效是引起稳定性下降的主要因素。

钢管混凝土拱桥的结构特点

上承式钢管混凝土拱桥是近年来大跨径铁路和公路桥梁的主流结构形式之一，其特点是将混凝土填充于钢管内部，利用钢管对混凝土的套箍作用和混凝土对钢管的支撑作用，形成协同受力的复合结构。

钢管混凝土拱桥的关键构造参数包括：

脱空现象的成因与危害

钢管混凝土拱桥施工和运营过程中，拱肋内混凝土与钢管之间可能出现脱空现象，即混凝土与钢管内壁之间存在空隙。脱空的成因主要包括：

1. 混凝土浇筑不密实：混凝土浇筑过程中振捣不充分，导致局部混凝土与钢管内壁未贴合。
2. 混凝土收缩：混凝土硬化后产生收缩，与钢管内壁分离。
3. 钢管变形：钢管在运输、安装或受载过程中发生局部变形，导致与混凝土脱开。
4. 施工误差：钢管节段焊接后几何精度不足，导致混凝土填充不均匀。

脱空对钢管混凝土拱桥稳定性的危害在于：

• 套箍作用失效：脱空区域混凝土无法对钢管产生径向约束，钢管局部屈曲风险增加。
• 截面刚度降低：脱空导致钢管与混凝土的协同工作减弱，截面有效刚度下降。
• 应力集中：脱空边界处产生应力集中，可能引发局部破坏。

第一类与第二类稳定性分析

文中区分了第一类稳定性（屈曲失稳）和第二类稳定性（后屈曲稳定），这一区分具有重要的工程意义。

第一类稳定性

第一类稳定性关注的是结构在载荷达到临界值时发生的分岔屈曲。对于钢管混凝土拱桥，第一类稳定性分析通常采用特征值屈曲分析，求解结构的一阶屈曲模态和屈曲载荷。

第一类稳定性分析的关键在于：

• 准确模拟钢管与混凝土的界面行为（有无脱空、脱空程度）。
• 考虑几何非线性（大位移效应）和材料非线性（混凝土受压软化、钢管屈服）。
• 考虑拱肋的初始缺陷（初始几何偏差、初始应力）。

第二类稳定性

第二类稳定性关注的是结构在屈曲后继续承载的能力，即后屈曲性能。对于钢管混凝土拱桥，第二类稳定性分析通常采用增量平衡分析，逐步增加载荷并跟踪结构的变形路径，直至结构失去承载能力。

第二类稳定性分析的关键在于：

• 准确描述混凝土和钢管的材料本构关系（包括损伤演化）。
• 考虑脱空区域对界面接触行为的影响。
• 考虑结构在屈曲后的大变形效应。

脱空位置的影响分析

文中研究表明，脱空位置对拱桥稳定性的影响显著，且拱脚脱空危害最大。这一结论可从以下角度理解：

• 拱脚受力特点：拱脚是拱桥的支座区域，承受较大的轴向压力和弯矩，是结构的薄弱环节。
• 约束条件：拱脚处钢管与混凝土的约束作用对整体稳定性贡献最大，脱空导致约束失效。
• 应力集中：拱脚处应力集中程度高，脱空加剧了局部应力集中。

不同位置脱空对稳定性系数的影响可概括为：

内倾角的作用机理

文中指出，内倾角的合理设置能提高拱桥的横向刚度，增加稳定性。内倾角是指拱肋在横桥方向的倾斜角度，通常设置为0°～5°。

内倾角的作用机理包括：

1. 增加横向刚度：内倾角使拱肋在横桥方向形成"V"形或倒"V"形，提高了横向抗弯刚度。
2. 改善荷载传递：内倾角使竖向荷载更有效地传递至支座，减少了横向分力。
3. 增强整体稳定性：内倾角使拱肋在横向形成稳定的几何构型，提高了抗侧向屈曲能力。

然而，内倾角过大也会带来不利影响：

• 增加施工难度和成本。
• 增加横向分力，对支座产生不利影响。
• 可能导致拱肋在横桥方向产生过大变形。

因此，内倾角的选取需要综合考虑稳定性、施工可行性和经济性。

脱空率与稳定性系数的关系

脱空率定义为脱空面积与拱肋截面面积之比。文中研究表明，随着脱空率的增加，拱桥的稳定性系数逐渐降低，且降低幅度随脱空率的增加而增大。

脱空率对稳定性系数的影响可近似描述为：

• 脱空率0%～5%：稳定性系数降低较小（<5%），影响可忽略。
• 脱空率5%～15%：稳定性系数降低明显（5%～15%），需引起关注。
• 脱空率15%～30%：稳定性系数显著降低（15%～30%），存在安全隐患。
• 脱空率>30%：稳定性系数大幅降低（>30%），结构安全难以保证。

工程实践中的关键问题

钢管混凝土拱桥的脱空检测和控制是工程实践中的关键问题。常用的脱空检测方法包括：

1. 超声检测：利用超声波在钢管与混凝土界面的反射特性判断脱空情况，但检测精度受钢管壁厚和混凝土密实度影响。
2. 敲击检测：通过敲击拱肋表面，根据声音判断内部是否存在脱空，但主观性强，精度低。
3. 内窥镜检查：通过拱肋上的预留孔洞插入内窥镜观察内部情况，但适用范围有限。
4. 温度场检测：利用红外热像仪检测拱肋表面温度分布，间接判断内部脱空情况。

脱空的控制措施包括：

• 优化混凝土配合比：采用低收缩、高流动性混凝土，减少收缩脱空。
• 改进浇筑工艺：采用分层浇筑、充分振捣，确保混凝土密实。
• 设置注浆孔：在拱肋上设置注浆孔，浇筑后进行注浆补强。
• 控制钢管几何精度：严格控制钢管节段的焊接精度，减少几何偏差。

学习心得与行业启示

本文的研究成果对钢管混凝土拱桥的设计和施工具有重要的工程指导意义。随着大跨径钢管混凝土拱桥在铁路和公路领域的广泛应用，拱肋内部混凝土与钢管的协同工作性能越来越受到关注。脱空作为影响协同工作性能的重要因素，其检测和控制在工程实践中具有重要意义。

对于从事桥梁设计和施工的工程师而言，本文的研究启示包括：

• 应高度重视拱肋混凝土的浇筑质量，采取有效措施防止脱空。
• 应在设计阶段考虑脱空对稳定性的影响，合理设置安全储备。
• 应在施工阶段加强脱空检测，及时发现并处理脱空缺陷。
• 应在运营阶段定期检测脱空情况，评估结构安全状态。

钢管混凝土拱桥作为一种高效、经济的桥梁结构形式，其安全性依赖于钢管与混凝土的协同工作。脱空作为影响协同工作的重要因素，其研究和控制在工程实践中具有重要意义。本文的研究为钢管混凝土拱桥的稳定性分析提供了有价值的参考，也为工程实践中的脱空控制提供了科学依据。