鋼管混凝土拱橋脫空問題研究分析

張波波

【摘 要】根據對某鋼管混凝土拱橋的完全脫空和正常狀態的位移及穩定性對比分析計算，研究脫空對拱橋結構的具體影響，并總結出一些減輕脫空影響的相應措施，可有效避免鋼管拱橋出現大規模的脫空，促進和推動鋼管混凝土拱橋的發展。

【關鍵詞】拱橋;鋼管混凝土;脫空;穩定性;自振特性

中圖分類號： U441;U448.22 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）12-0181-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.12.088

0 引言

鋼管混凝土拱橋比傳統拱橋的優點是自重荷載以及受到的風荷載等較小，跨徑選擇多，承載能力高，拱肋曲線優美，與周圍環境可以完美契合，在一段時期的拱橋的橋型選擇上是優先選項，但根據對運營期間的鋼管混凝土拱橋進行實際調查，這種橋型也有缺陷，拱肋混凝土與鋼管之間脫空很容易出現脫空的現象，影響了這種橋型的正常發展，因為脫空直接減弱了鋼管混凝土橋型的最大優勢，即對鋼管和混凝土之間的套箍約束作用。

1 工程概況

鋼管混凝土組合拱橋總跨徑為192m，鋼管拱肋采用鋼管混凝土空間四肢式桁架結構，計算跨徑為129m，矢跨比為1/3.5。拱肋內傾角為0，兩肋的寬度為1.55m，高度為2.5m，肋間中距為11m。上弦管曲線采用懸鏈線+圓曲線，尺寸為φ351×12mm鋼管，下弦管曲線采用懸鏈線，尺寸為φ351×16mm鋼管，拱腳位置進行加強，將拱腳向上到1/8L處四肢使用鋼板連接成啞鈴型，上下弦管內部灌注混凝土。邊孔為鋼筋混凝土箱形截面拱橋，曲線為懸鏈線，計算跨徑為23.8m，矢跨比為1/2。橫向的兩條拱肋間共設置7道橫撐，結構形式為桁架一字式橫撐，吊桿處橫梁為預制預應力鋼筋混凝土工字梁，行車道板采用預制混凝土T形梁。

2 模型建立

通過力學抽象，根據實際的結構資料，采用空間有限元分析軟件建立拱橋全橋空間力學模型。模型中的各種必須參數符合實際結構參數，上下弦管、吊桿、橫梁、立柱、帽梁、上部T梁等采用梁單元模擬，拱腳位置的弦管間鋼板采用板單元模擬，模型中共有節點1302個，梁單元2634個，板單元104個。

3 脫空高度

根據對拱橋的實際調查，鋼管混凝土拱肋的混凝土空洞的大小、形狀、范圍、在截面的位置、在拱肋的位置都不一樣，為了簡化計算， 假定空洞都出現在上部，鋼管內混凝土空洞高度為h。因為各個拱橋的鋼管直徑不同，空洞也不同，為了全面的分析空洞對拱橋的影響，對空洞高度h的取值為0mm-100mm。

4 脫空影響分析

4.1 脫空對拱肋線形的影響

拱橋除了材料比較重要，合理的線形控制才是保證拱橋正常運營狀態的最重要因素，在拱橋施工時除了應力監測，也要重點監測拱肋的線形標高，如果線形與原設計線形有差別，很容易改變拱肋的內力應力分布，拱肋極易產生脫空現象，而如果發生脫空現象會不會影響影響拱肋的線形，本文對脫空狀態下的拱橋位移進行計算。

拱橋受力荷載為：拱橋恒載+移動荷載+風載，粘結狀態和完全脫空兩種狀態，計算結果如下圖所示：

根據上圖得出結論：脫空確實減弱了拱肋的豎向剛度，拱肋的豎向位移增大，其中拱肋跨中位置幅度最大，從這計算結果可知脫空和線形控制是相互作用的。

4.2 脫空對穩定性的影響

接下來研究計算脫空對拱橋穩定性的影響，在相同的荷載作用下比較脫空和粘結兩種狀態下拱橋的穩定安全系數及失穩模態：

從以上的計算結果可見：

各種狀態的失穩模態皆為面外半波對稱失穩，沒有變化，但結構的穩定安全系數有所改變首先脫空降低了結構的穩定安全系數，完全脫空下安全系數下降了36%，另外在h從0mm到100mm的過程中，結構穩定安全系數一直下降，但其下降的幅度不同，當h達到20mm時，一階結構穩定安全系數下降幅度很小，當脫空高度〉20mm時，結構穩定安全系數幅度增大，下降了6.7%。

4.3 脫空位置對穩定性的影響

脫空會發生在拱橋的任何位置，本文對在關鍵控制點（下弦拱腳、L/8、L/4、3L/8、L/2）處出現脫空現象時穩定性的變化進行研究計算，為方便計算，假定控制點位置處兩側的兩根上下鋼管脫空，計算結果如下：

根據計算結果可知，脫空發生在各個位置首先失穩模態皆為橫向半波對稱彎曲，未發生變化，但安全系數會下降，當在拱頂位置出現脫空時，穩定安全系數最小，在拱腳位置出現脫空對穩定安全系數影響最小。

5 總結及防治措施

經過以上計算結果可知，脫空問題會弱化拱肋的豎向和橫向剛度，在相同荷載作用下脫空狀態下拱橋豎向位移比完全粘結狀態下的位移要大，雖然各階的面外失穩模態沒變，但脫空降低了拱橋的穩定安全系數。脫空降低了拱橋的受力性能，影響了拱橋正常運行及壽命，但在實際情況中脫空不可避免，需要采取一些相應措施盡可能減輕脫空的影響。

5.1 前期預防

在設計階段采用保守安全的計算方法例如計算中不考慮鋼管與混凝土之間的相互作用，雖然會增加了點成本，但會比較安全，另外在設計時還有采用合適的拱橋參數如含剛率、合理的內傾角、橫向支撐形式和位置等來增強拱橋剛度，減輕脫空的影響。

5.2 中期預防

在施工階段嚴控各個流程，清除管內雜物，使用水泥漿潤滑鋼管，避免出現泵送混凝土堵塞，均勻振搗混凝土，排除管內多余空氣，也可以多加一些構造措施，如在管內壁設置一些縱向加勁肋，在拱肋內部設置橫向的內法蘭盤，內法蘭盤不與拱肋的內壁不緊密連接，并且內法蘭盤表面在周圍開設洞，在施工過程中基本會形成空腔，可以避免鋼管變形。

5.3 后期補救

當預防措施失效，在施工完畢后或者運營階段發現拱橋出現脫空現象，需要采用一些措施進行補救。一種方法是在檢測出空洞的位置進行開孔，補入改性環氧砂漿進行密實，施工完畢進行二次檢測，這種方法的缺陷是對鋼管有損傷，影響美觀，而且有可能出現二次空洞，另外一個方法是在原拱橋的鋼管外再套上一個環，材料是鋼管混凝土，分段施工，采用法蘭螺栓連接，可提高拱橋的承載力，但這種方法的缺點是費用較高，施工困難。

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