中国交通建立股份有限公司
科技研发项目立项申请书
项目名称：高山峡谷地形条件下大跨度
钢管混凝土拱桥施工质量控制技能
申报单位：中交第四公路工程局有限公司
项目卖力人：
林新元
项目经费：
310 0 万
完成时间：2015 年 1 月～2017 年 5 月 中国交通建立股份有限公司制订
一 、立项配景
1991 年 5 月我国第一座钢管混凝土拱桥—四川旺苍东河大桥建成通车，它为净跨 115m 的下承式拱桥，该桥的建成具有深远意义，它揭开了我国大范围修建钢管混凝土拱桥的序幕。自此以后，钢管混凝土拱桥在我国公路和都市桥梁中生长迅猛，据不完全统计，至今我国已建成钢管混凝土拱桥 230 座以上，其中跨度凌驾 200m 的就有 30 余座，跨径大于 300m的近 10 座。从设计水平看，我国已建和在建的钢管混凝土拱桥结构形式富厚多样，已建成的钢管混凝土拱桥无论是跨径照旧数量都已是名副其实的世界第一，国内对此类桥梁的设计理论与施工技能研究有许多乐成的经验，也已取得了一定的结果。虽然我国在钢管混凝土拱桥建立方面取得了举世瞩目的成绩，但总的来说，钢管混凝土拱桥的设计理论与技能生长速度相对滞后于钢管混凝土拱桥的建立速度。故在实际工程中，无论是设计照旧施工还依然存在不少问题。
设计方面，在进行此类桥梁的设计与盘算时，一般都是直接套用钢筋混凝土的设计理论，沿用钢筋混凝土拱桥的设计范例、同时参考其他行业的有关钢管混凝土的设计规程，因此在盘算、设计中缺乏科学的理论体系、有一定的盲目性，导致设计盘算结果有些偏于不宁静、有些则偏于不经济。事实上，钢管混凝土是一种新的复合质料，从内力阐发至截面设计，都体现出与钢筋混凝土差别的性能。这些设计理论上的先天不敷，直接影响了钢管混凝土拱桥建成后的质量。
施工方面，由于没有专门的钢管混凝土拱桥施工范例，许多控制精度
目标是参考其他类型桥梁得出的，存在不公道的内容：有些标准限制太严格，有些又太松，和钢管混凝土拱桥的自身特点不相符。别的，国内钢管混凝土拱桥的施工和技能治理水平普遍较低，施工工艺有待进一步改进，施工质量也有待进一步提高。这些施工方面的问题，对钢管混凝土拱桥建成后的正常使用也会有一定水平的影响。
总结近年来产生的病害可以看出，钢管混凝土拱桥主要病理特征体现为：拱座裂缝、脱空、混凝土早龄期徐变等。
1 ）拱座裂缝 钢管混凝土拱桥工程实践生长较快，且工程实例较多，但目前桥涵设计范例有关大跨径拱桥拱座的设计盘算要领不是很完善，特别是大跨度钢管混凝土拱桥另有许多问题值得研究探讨。因为许多工程结构的破坏经常是从局部开始的，在对已建成的众多拱桥视察中发明，已有一些钢管混凝土拱桥的拱脚及拱座处出现了裂缝等病害，所以拱座受力一直受到工程界的存眷和重视。施工养护步伐不公道、外界温度变革太大、下部结构不均匀沉降等均为拱桥拱座开裂的主要原因。对付大部分钢管混凝土拱桥，拱座一旦出现较大裂缝，拱肋的形态将会产生较大变革，造成拱肋的多少初始缺陷增大，这将对结构的极限承载力造成很大的影响。钢管混凝土拱桥的拱座处配筋庞大，且锚固了端横梁和系梁的预应力筋，拱座开裂后若未实时修复，受外界因素的长时间作用，容易引起拱座内部钢筋的锈蚀以及系梁预应力的损失，对桥梁的宁静性和耐久性造成倒霉的影响。
图 1
福建省某钢管拱桥拱座裂缝 2 ）脱空 在钢管混凝土拱桥中，钢管混凝土拱肋起着至关重要的作用，其质量干系到整座桥梁的承载力及稳定。钢管混凝土的优越性要靠钢管和管内混凝土牢固结合形成整体配合受力才华体现，这就需要包管管内的混凝土与钢管内壁之间能紧密打仗。然而，由于钢管混凝土是两种性能截然差别的质料结合在一起，其亲和力有限，并且混凝土的施工工艺也无法包管使钢管内部完全均匀充实而无缺陷。尤其是在钢管混凝土拱肋的顶部，钢管管壁最容易与混凝土脱离，这是这种构件固有的缺陷、很难制止。管内混凝土的可能缺陷包罗：空腔、收缩漏洞、混凝土与管壁粘结不良、孔洞、混凝土离析分层不均匀、施工缝、混凝土疏松不密实等。在目前对已建钢管混凝土拱桥的检测中均发明了脱空现象，可以说钢管混凝土拱桥的管内混凝土脱空病害已经是一个普遍现象。涂光亚[1]认为脱黏会对拱桥的受力性能产生以下影响：
(1)在轴向压力、温度荷载和收缩应变作用下，钢管混凝土拱桥中钢管
与核心混凝土界面的拉应力与截面尺寸及质料有关，也与混凝土自己的施工工艺及物理特性有关。如果不采取任何步伐，界面拉应力可能会凌驾界面粘结强度而产生脱粘 (2)脱粘会使析架式钢管混凝土拱桥的钢管内力增大，结构刚度下降，面内的极限承载力下降，给析架式钢管混凝土拱桥的受力性能带来较大的倒霉影响。
(3)沿钢管拱轴线偏向在有限点采取可靠步伐使钢管与混凝土之间不能相对滑移，能有效提高钢管与混凝土配合事情的能力，使其受力性能与完全载结时较为靠近，其有效性可通过长期视察和更多的实例进一步得到验证。
(4)对相邻拱段之间内法兰结构进行正确的结构、强度和刚度设计，可以使内法兰结构起到有效限制钢管与混凝土之间相对滑移，改进脱载后钢管混凝土拱桥受力性能的作用。内法兰结构是治理脱载的有效手段之一，其有效性可通过长期视察和更多的实例进一步得到验证。
3 ）考虑爆仓风险的混凝土浇注历程 对付钢管混凝土拱桥混凝土的浇注，范例规定：“管内混凝土应采取泵送顶升压注施工，从两拱脚至拱顶对称均衡地一次压注完成。处拱顶外不宜在其余位置设置横隔。”由于拱的矢高较大，拱肋混凝土采取自下而上泵送灌注方法时，在压浆孔四周会产生很大的压强，腹板受混凝土压力的作用容易外鼓，甚至可能造成破坏-俗称“爆仓”，而导致严重的工程结果。
因此，钢管混凝土施工的难点不是在于钢管拱肋的架设，而在于腹腔混凝土的泵送。在钢管混凝土的泵送历程中，首先是对混凝土质料自己和施工工艺有一定的要求，然后就是对结构自己的宁静性能的储备有一定的要求，只有这两个方面都做好了，结构施工和运营的宁静才华得到保障。
对付跨径较大的桥梁，每根钢管拱混凝土浇注时间要 8～10 小时，混凝士既要求缓凝保塑，又要求在钢管内部自密实，具有可泵性、良好的耐久性和事情性能，因此拱肋高强自密实微膨胀混凝土的配制问题成为整个施工历程中的一个核心问题。其中的要害是对混凝土配合比设计、泵送参数选择、浇注工艺和施工质量包管步伐简直定。
在拱肋泵送混凝土时，若采取混凝土一次泵入，腹腔钢管将蒙受较大的压力，腹板焊缝处的腹板的拉应力已凌驾 300MPa，有“爆仓”的危险性，因此在混凝土浇注历程中应采取一定的步伐解决“爆仓”问题，确保拱肋施工的宁静顺利进行。
3 ）
吊杆病害 福建省某座钢管混凝土拱桥的吊杆病害视察结果如下：
该桥吊杆采取 19φj15.24mm 高强度低松弛预应力钢绞线，两端用YM15-19 锚具，下端锚具采取锁头器锚固，并设有可调治横梁高度的螺母；上端锚具采取夹片锚锚固。吊杆采取外套钢管，管内压注 40 号聚丙乙烯纤维水泥浆防护。
需特别指出，据大桥管养部分派驻现场的技能卖力人介绍，为了增强
吊杆内预应力筋的耐久性，大桥施工后期对吊杆内的防护进行了变动。依据该变动，先用留有灌浆孔洞的钢板紧贴吊杆横梁的底面并与吊杆的锚具焊接后将整个锚具封闭使之不外露；打开吊杆与拱肋上锚头之后，从下往上灌入砂浆将吊杆内的预应力筋封闭；最后用木楔把灌浆孔塞上。这一变动由查抄历程中敲击吊杆下方的外贴钢板发出实声与钢板上的木楔所证实，另外查抄人员拔下木楔后发明内部确为砼且密实度尚可。此次查抄发明吊杆存在病害如下。
（1）吊杆产生扭曲变形，如图 2 所示。
吊杆在竖直面内产生扭曲，主要原因是：①施工精度和拱肋位移所致。②拱肋在活载作用下产生振动从而引起吊杆产生多阶频率振动，形成扭曲现象。其中，该桥整体刚度偏小也是产生较大振动的原因之一。
图 2
吊杆出现扭曲变形 （2）
横梁下吊杆锚固部位锚头部位锈蚀，如图 3 所示。
锚头是吊杆中极其重要的部位，国内已有同类桥梁因吊杆横梁下的锚头松动而产生跨塌的事故。从横梁上部的水印陈迹可以看出，横梁渗水是造成锚头锈蚀的重要原因之一。除此之外，本地自己的空气污染，大气湿润的天气情况对加剧锚头锈蚀也有一定水平的推行动用。对吊索系统的掩
护可以定期对其涂漆防锈,补刷防锈漆。吊杆两端锚固处及锚头、吊杆出口密封处、防护套等部位,发明有损坏时,必须实时处治。当锚头发明裂缝或破损,则应调换该吊杆。
图 3
横梁下吊杆锚头部位锈蚀 （3）吊杆套环、套筒锈蚀，吊杆与人行道接缝脱开，如图4所示。
吊杆的套环、套筒长期袒露在大气中，由于雨水和大气中酸性物质的侵蚀，套环、套筒锈蚀严重。
吊杆的除锈防锈的做法是：①调换掩护罩。由于原有的掩护罩都已经锈迹斑斑，为此重新预制安装不锈钢管套；②锚杯除锈涂油。取下锚杯端盖，将锚杯外貌的锈迹用钢丝刷除锈，并清理洁净，然后涂刷除锈剂（如蓝星牌XL—C038型）；③往掩护罩内填充防腐油脂。首先清除镦头间的残胶，然后填充黄油；④安装掩护罩。
图 4
吊杆套环、套筒锈蚀
2011年4月12日，新疆库尔勒市一座中承式大跨径钢管混凝土拱桥——孔雀河大桥垮塌，图5。阐发主要原因为第2根吊杆断裂导致桥梁垮塌。
图 5
孔雀河大桥 总之，对付吊杆的养护，必须予以重视。吊杆要制止横向打击,注意防水、防锈。在钢管及防护罩内均应压注防锈油脂作防护。发明系杆及防护板损坏应实时处理惩罚。如发明油脂渗漏,应补注防锈油脂,并找出渗漏部位,加以堵塞。对系杆锚头、锚板防护罩、滚珠轴承等应使其保持在完好状态。混凝土防护板裂缝宽度凌驾0.2mm则应压浆修补。
综上所述，近年来多座大跨径钢管混凝土拱桥建成运营后不久，均不谋而合相继出现不少质量问题，一些钢管混凝土拱桥典范病例显示，由于设计的缺陷、施工期间质量控制和运营养护的不当，许多钢管混凝土拱桥在运营不久即产生一系列病害，严重影响结构的宁静。因此，本项目以石门水库特大桥为工程配景，在施工阶段期间就考虑钢管混凝土拱桥拱座裂缝、脱空、混凝土早龄期徐变、吊杆疲劳破坏等病害的影响，对病害机理进行详细阐发，从而对钢管混凝土拱桥在施工阶段期间的质量进行控制，
进而消除或减小病害对钢管混凝土拱桥运营期的影响，具有重要的工程意义。
二、国内外研究表面及可行性阐发
1 ）拱脚受力性能研究现状
随着钢管混凝土拱桥在我国的遍及应用和钢管混凝土拱桥受力特性的研究的不绝深入，越来越多的专家和学者开始研究拱脚结点的局部受力[4]。目前对拱脚结点的局部应力阐发，主要有盘算要领和试验要领[5]。
盘算要领主要采取大型通用有限元的阐发要领。在具体创建有限元模型时，一种是只创建由块体单位、壳单位、索单位等组成的结点局部空间模型结点端部（拱肋、端横梁）的作用力和预应力由全桥整体阐发提供，在创建模型时除局部结点的模拟公道外，还要注意对截断的拱肋、端横梁等构件应留有足够的长度，以制止端部效应，须要时可通过开端盘算来确定。另一种要领是创建全桥盘算模型，在结点处单位分别得较细，且以块单位、壳单位和索单位为主，而其他结构单位分别得较粗，且以杆单位为主。这种要领一般模型较大，结构庞大，较少采取。随着通用步伐中后处理惩罚成果的不绝增强，单位精度的不绝提高和盘算要领的改造，加上盘算机硬件的进步，只要模型创建公道，以弹性受力阐发为主的拱脚结点一般均能得到公道的盘算结果，因此有限元盘算要领已成为拱脚结点受力阐发中简单易行的一种实用要领。
试验要领凭据试验质料和原理的差别可分为三向偏光模型试验（简称
光弹试验）和普通的结点试验[6]。
光弹试验是指对由硅橡胶精密筑造的三维光弹试验模型施加模拟相似荷载、界限条件，用光测弹性仪视察切片的等色线、等倾线，得到应力漫衍规律[7]。光弹性试验的理论底子是物理光学和弹性力学，试验结果能反响结果总体的受力性能和规律，应力数值从量级上能反响结构的受力情况。但试验只能得到部分数值，并且存在一定的误差。试验工艺和高分子质料有密切干系，目前通用环氧树脂是最佳的选择，但该质料有一定的缺陷，如因空气中的湿度和温度的影响，会造成一定的模型界限局部的压应力，即所谓的边沿效应，造成不可制止的误差，同时试验工艺中加力的界限条件可能会存在一定误差，切片的位置及厚度也会影响结果，丈量的历程也存在一定的误差。另有试验用度较高，只能进行部分典范的试验。
另一种试验要领是与原桥相同质料的足尺或按相似原理的缩尺模型试验，对付混凝土拱脚采取混凝土模型，对付钢拱脚则采取钢模型。足尺试验模型通常因体形较大、加载条件要求较高、试验用度较高而较少采取。缩尺试验要害在于处理惩罚好缩尺的比例与试验效果之间的矛盾，由于拱脚结构与受力庞大，一般外轮廓尺寸的缩尺比例不宜太小，通常在 1：2～1：4 之间[8]。无论采取哪种试验要领，由于试验条件和用度的限制，试验工况不可能太多，同时测得的数据也受试验条件的影响。因此，目前常用的要领是进行少量的试验研究，来了解拱脚的受力一般规律，并以试验结果验证有限元模型的正确性。用验证的有限元模型进行大量的盘算，并以有限元的盘算结果作为结果设计阐发的主要依据。
2 ）脱空问题研究现状
对付钢管混凝土脱空的原因，目前国内外研究得较少，且绝大部分文献均是进行一些定性的阐发...