六律邕江特大橋鋼管拱肋與核心混凝土粘結狀態監測分析

唐?？? 解威威 葉志權 馬文輝

基金項目：廣西科技基地和人才專項“基于多源信息融合和多變量聯合反演的CFST拱橋管內混凝土性能智能評估技術研發與應用”（編號：桂科AD23026009）；交通運輸行業重點科技項目“大跨徑CFST拱橋管內混凝土性能全壽命評估技術與多功能檢測機器人研發及應用”（編號：2022-ZD6-085）

作者簡介：唐?？?993—），碩士，工程師，主要從事拱橋施工監測與控制技術研究工作。

文章以六律邕江大橋為依托工程，基于物聯網技術，對管內混凝土灌注過程鋼管及核心混凝土的應力和溫度進行了實時、自動化監測；同時基于厚壁圓筒模型，綜合考慮溫度和核心混凝土徑向變形的影響，建立了界面粘結應力的計算模型；進而根據現場監測數據計算了鋼管與核心混凝土界面的粘結應力，并對其脫粘概率進行了分析。結果表明，該橋管內混凝土凝結硬化穩定后，最大粘結應力小于界面粘結強度且脫粘概率較小，與超聲波的檢測結果吻合，說明界面粘結狀態良好。

鋼管混凝土拱橋；脫粘；自動化監測；徑向粘結應力；概率

U448.22A311104

0?引言[HJ1.35mm]

鋼管混凝土拱橋因其受力性能優越、施工便捷、經濟美觀等優勢，被廣泛應用于我國的大跨徑橋梁工程［1］。然而，由于鋼管與核心混凝土兩種材料在溫度作用下的變形不協調以及混凝土自身收縮徐變的影響，鋼管混凝土拱橋容易發生脫粘，尤其在西部地區強日照、溫差大的環境條件下更為顯著。脫粘會降低鋼管與核心混凝土的協同工作性能，削弱鋼管混凝土拱橋的承載力，是在役鋼管混凝土拱橋的主要病害之一［2-5］。

在鋼管混凝土拱橋施工和服役過程中，鋼管與核心混凝土的粘結狀態受環境條件和外荷載作用影響顯著，為能夠在拱肋脫粘后及時采取相應的處理措施，需要對界面的粘結狀態進行長期監測和分析。目前鋼管混凝土拱肋粘結狀態的現場檢測大多采用鉆孔、沖擊回波法、超聲波法［6］等人工巡檢方式，其作業條件受環境因素限制，采集的數據連續性差，而且很容易遺漏重要或危險的數據信息，無法適應拱肋粘結狀態長期監測的需求。另一方面，現有界面粘結狀態的分析主要是針對界面粘結抗力的研究。王振等［7］基于試驗研究和數值分析，提出了鋼管混凝土界面粘結—滑移關系的簡化計算模型，但該模型主要是針對切向位移的計算；童林等［8］以及劉振宇等［9］基于彈性理論的厚壁圓筒模型，建立了鋼管與核心混凝土界面粘結強度與鋼管軸向荷載、環境溫度以及混凝土收縮量的關系，但是沒有綜合考慮恒載和溫度的影響；Roeder等［10］基于試驗研究界定了鋼管與核心混凝土徑向擠壓、徑向臨界、徑向脫空3種工作狀態；劉振宇等［9］采用了對拉法和彎拉法測試了鋼板與混凝土之間的法向粘結力，得到了不同鋼材表面特性的臨界粘結強度；余新盟等［11］基于對拉試驗測定了鋼板與混凝土的界面粘結強度，并通過統計分析得出了不同混凝土強度等級條件下的界面粘結強度概率分布特性，建立了界面粘結強度與混凝土強度的經驗關系。然而，目前尚缺乏基于實際荷載效應的粘結狀態計算模型，導致無法根據實際環境條件和荷載作用對界面粘結狀態進行長期的監測和分析。

鑒于此，本文以六律邕江大橋為依托工程，基于物聯網技術，對管內混凝土灌注過程鋼管拱肋及管內混凝土的應力和溫度進行了實時、自動化監測。同時，基于彈性理論的厚壁圓筒模型，根據鋼管拱肋與核心混凝土交界面的位移協調條件，建立了界面粘結應力的計算模型。進而，根據現場監測數據，對鋼管混凝土拱肋的脫粘概率進行了分析，并與超聲波檢測結果進行了對比。

1?工程概況

六律邕江大橋是泉州至南寧高速公路改擴建工程的一座下承式鋼管混凝土系桿拱橋，于2019年12月建成通車。大橋計算跨徑265 m，矢高58.889 m，矢跨比1/4.5，拱軸系數1.352。橋跨組合為4×30（預應力混凝土連續小箱梁）+280（鋼管混凝土下承式系桿拱橋）+3×30（預應力混凝土連續小箱梁）m，全長497 m。橋位處年平均氣溫為20 ℃～23 ℃，月平均最高氣溫32.5 ℃、最低氣溫10.6 ℃。主拱采用纜索吊裝斜拉扣掛法施工，施工塔架為主扣合一形式，由萬能桿件拼裝而成，塔高122 m；拱肋為鋼管混凝土桁式結構，單側拱肋分7個節段，全橋共28個節段。主拱圈合龍后，采用真空輔助泵送頂升壓注法灌注C55自密實微膨脹混凝土，分兩級由兩岸同時泵送。

2?結構應力和溫度監測

2.1?管內混凝土應力監測

本項目對柳州岸下游節段拱肋外側上弦管的管內混凝土徑向應力和溫度進行了實時監測，監測截面為拱腳、L/4和拱頂截面，共布置了9個徑向應力測點，每個監測截面分別布置3個測點（見圖1），采用內埋型振弦式應變計（JMZX-212AT）進行監測，監測數據通過布置在監測截面附近的數據采集儀（JMJK-32A）進行自動采集和傳輸。

2.2?鋼管應力和溫度監測

對柳州岸下游節段拱肋弦管的軸向應力和表面溫度進行了實時監測，監測截面分別為拱腳、L/8、L/4、3L/8和拱頂截面，共布置了20個應力和溫度測點，每個監測截面分別布置4個測點，測點布置在每根弦管的上緣，采用振弦表面應變計（BGK-4000X）同時監測鋼管的應力和溫度，見圖2，監測數據通過布置在監測截面附近的數據采集儀（BGK-MICRO40）進行自動采集和傳輸。

3?界面粘結應力

3.1?徑向脫粘機理

管內混凝土凝結硬化過程中，由于水泥漿體對鋼管內表面氧化層的滲透，以及水化過程水泥晶體的生長硬化，在鋼管與核心混凝土之間形成一定強度的化學膠結力，其既可以抵抗鋼管與核心混凝土沿切向的相對滑移，也可以抵抗兩者沿徑向的相對變形，而抵抗徑向變形的這部分抗力即為界面粘結強度［p］。由于鋼管與核心混凝土的線膨脹系數、泊松比等材料特性不同，在溫度和恒載作用下兩者沿徑向的變形差會在界面上產生粘結應力p，當p＜p時，鋼管與核心混凝土處于緊密貼合狀態；當p=p時，兩者處于即將脫粘的臨界狀態；當p＞p時，兩者處于脫粘狀態。

3.2?徑向粘結應力計算模型

將鋼管與核心混凝土沿徑向的變形簡化為平面應變問題（計算簡圖見圖3），假定鋼管和核心混凝土在界面上產生的累積徑向位移分別為Us和Uc，則脫粘臨界狀態的徑向位移協調條件可以表示為式（1）：

基于式（1）的位移協調條件，考慮溫度、界面徑向粘結力以及軸向荷載的作用，鋼管與核心混凝土的徑向位移Us和Uc可以分別表示為式（2）：

3.2.1?界面粘結力作用

根據彈性理論，厚壁圓筒模型承受均勻內、外壓力條件下徑向位移的通解可以表示為式（3）：

式中：ur[WB]——圓筒任意半徑r處的徑向位移；

將鋼管簡化為承受均勻內壓力p、外壓力為零的厚壁圓筒模型，令p1=-p、p2=0、μ=μs、E=Es、r=a代入式，可以確定鋼管在粘結力作用下的徑向位移為：

式中：μs和Es——鋼管的泊松比和彈性模量。

3.2.2?溫度作用

溫度作用下鋼管的徑向位移可以表示為：

式中：αs——鋼管的線膨脹系數。

3.2.3?軸力作用

軸向力作用下鋼管的徑向位移可以表示為：

式中：εNs——鋼管在軸向力作用下的應變。

將式（2）、式（4）～（6）代入式（1），可以確定鋼管與核心混凝土的徑向粘結應力為：

根據式可以計算在不同幾何尺寸、材料特性和荷載作用下鋼管混凝土拱肋的界面粘結應力，當其大于界面所能抵抗的臨界粘結強度時，說明鋼管與核心混凝土已經脫粘，脫粘的判別式可以表示為：

式中：［p］——鋼管與核心混凝土的臨界粘結強度。相關試驗研究表明，臨界粘結強度主要與鋼管的內表面特性、核心混凝土的抗壓強度和養護條件有關，取值范圍為0.86～1.24 MPa。

4?拱肋粘結狀態分析

4.1?計算參數取值

由式可知，確定鋼管與核心混凝土徑向粘結應力的參數主要有主拱圈結構的材料和幾何特性、鋼管的表面溫度、鋼管的軸向應變、核心混凝土的徑向應變。

4.1.1?結構材料和幾何特性

六律邕江大橋主拱圈采用Q345C鋼材，沿軸線方向的彈性模量Es=2.06×106 MPa，泊松比μs=0.286，線膨脹系數αs=1.2×10-5；拱腳截面鋼管的外半徑b=500 mm，內半徑a=472 mm。

4.1.2?核心混凝土徑向應變

六律邕江大橋管內灌注C55自密實無收縮微膨脹混凝土，混凝土凝結硬化過程中會產生較大的膨脹作用，期間會對徑向應變產生很大的擾動（見圖4），越接近終凝其擾動就越小。終凝后，核心混凝土的徑向應變隨溫度變化近似呈周期性變化。為減小混凝土硬化收縮的影響，本文取管內混凝土硬化收縮穩定后（灌注后第10 d）的徑向應變值用于界面粘結狀態的分析。

4.1.3?鋼管表面溫度

鋼管的表面溫度通過監測鋼管軸向應力的振弦式表面應變計同時采集，沿弦管軸線方向不同監測截面的溫度變化情況見圖5。由于拱腳截面的相應溫度測點損壞，且沿弦管軸線方向的溫度變化趨勢以及升降溫的幅值基本相同，本文近似取L/8截面的溫度監測值代替拱腳截面的溫度變化情況。另外，由于鋼管表面溫度的采集頻率與管內混凝土應變的采集頻率不同，其中鋼管表面溫度每6 min采集1次，而管內混凝土應變每1 h采集1次，為確保計算的連續性，本文取1 h內鋼管表面溫度的平均值作為該時段的溫度代表值。

4.1.4?鋼管軸向應變

柳州岸下游節段的外側上弦管不同監測截面的軸向應力變化見圖6，其中，拱腳截面測點在拱肋安裝施工過程中損壞，L/4和3L/8截面的監測數據可用。由圖6可知，兩者的鋼管軸力變化規律有一定差異。因此，本文通過數值模擬，分析不同監測截面的軸向應力變化情況，確定與拱腳應力接近的監測截面。

采用Midas Civil軟件建立管內混凝土灌注施工階段的空間有限元模型（見圖7），對管內混凝土灌注過程的鋼管軸力進行分析。模型中拱桁采用梁單元，拱腳腹板采用板單元；主拱材料采用Q345鋼；管內混凝土采用C55混凝土，采用Japanese（Elastic）規范建議的彈性模量增長曲線模擬混凝土強度的變化，采用《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62-2004）的參數設置來考慮管內混凝土的收縮徐變；采用施工階段聯合截面模擬鋼管混凝土截面；因灌注混凝土時已封拱腳，故弦管和軸鉸的邊界條件取為固結。

經有限元分析計算，管內混凝灌注完成后弦管軸力沿軸線的分布情況見圖8。由圖8可知，管內混凝土灌注完成后，拱腳截面與L/4截面的軸力接近，這可能是考慮了管內混凝土的強度發展和收縮特性后使剛度沿軸線分布不均勻導致。因此，本文在計算界面粘結力時，拱腳截面的軸力近似取L/4截面的軸向應變監測值進行計算。另外，由于鋼管軸力采集頻率高于管內混凝土應變，為確保計算的連續性，取1 h內鋼管軸力的平均值作為該時段的軸力代表值。

4.2?脫粘概率分析

將上述分析確定的鋼管混凝土拱肋的幾何和材料特性、管內混凝土徑向應變、鋼管軸向應變、鋼管表面溫度的取值代入式，可以計算得到不同時刻的界面粘結應力（見圖9），其中拉、壓應力最大值分別為0.85 MPa和-0.58 MPa。

相關試驗研究和統計分析表明，對于封閉養護的C55強度等級的混凝土，界面臨界粘結強度服從均值為μ=0.98 MPa、標準差為σ=0.13 MPa的正態分布，此時鋼管與核心混凝土之間的脫粘概率可以根據式（9）進行計算：

式中：pb——根據式計算確定的界面粘結應力。

將計算得到的界面粘結應力代入式（9），可以確定不同時刻界面發生脫粘的概率（見圖9），其中監測過程的最大粘結拉應力pb=0.85 MPa＜p=0.98 MPa，相應的脫粘概率為16.80%，說明鋼管與核心混凝土之間脫粘的概率較小。

4.3?分析驗證

管內混凝土灌注完成后，采用非金屬超聲波檢測儀對管內混凝土的密實度進行了檢測。由于無法在拱腳處搭建工作平臺，考慮到檢測安全和工作面限制等因素，選取拱肋節段1和節段2連接的第一個施工掛籃位置作為拱腳檢測區，該測區內布置了6個檢測截面（間距為10 cm），每個截面按米字形對稱布置4對測線。

柳州岸下游外側上弦管的檢測時間分別為管內混凝土灌注完成后的第3 d、第9 d和第13 d，測區內各檢測截面不同側線的平均波速見圖10。由圖10可知，不同齡期的波速均＞5 000 m/s。

根據鄭皆連等［12］對管內混凝土灌注工藝試驗的研究結果，對于管徑660 mm、管內灌注C60微膨脹混凝土的鋼管混凝土拱肋，超聲波波速檢測值＞4 000 m/s時真空管未出現脫粘脫空現象。六律邕江大橋鋼管拱肋單管直徑1 000 mm，管內灌注C55微膨脹混凝土，超聲波波速檢測最小值＞5 000 m/s，可以認為鋼管混凝土拱肋未出現脫粘脫空，與本文的粘結狀態分析結果基本吻合。

5?結語

（1）徑向粘結應力是決定鋼管混凝土拱肋脫粘的關鍵參數，當管內混凝土凝結硬化穩定后，溫度是影響界面粘結狀態的主要因素。

（2）監測過程中界面粘結應力最大值為0.85 MPa，小于C55強度等級混凝土在封閉養護條件下的臨界粘結強度，相應的脫粘概率為16.8%，表明界面脫粘的可能性較小，與超聲波的檢測結果基本吻合。

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