重庆交通大学 土木工程学院 重庆 400074
摘要：为深入探究钢管混凝土拱桥脱空原因及其有效的防治措施，本文重点介绍了钢管混凝土拱桥管内混凝土灌注工艺现状，并剖析了钢管混凝土脱空机理，最后从设计、施工、运营三个角度介绍了钢管混凝土拱桥预防、防止、防治脱空的有效措施及方法。
关键词：钢管混凝土拱桥；三山西大桥；泵送顶升；脱空；脱空防治措施
前言
随着高强混凝土的出现以及泵送顶升施工灌注方法的广泛应用，钢管混凝土所具有的高承载力、低成本以及拱肋可兼做施工骨架等优点，正在被越来越多地应用到拱桥。然而，钢管混凝土拱桥作为一种复合材料的结构，其在施工及运营阶段都存在着脱空的问题。
近年来，我国建设钢管混凝土拱桥的数量和规模都大幅增长，但其施工和设计都缺乏统一的标准与规范，因此运营中的大多钢管混凝土拱桥都出现了不同程度的脱空现象，有的结构甚至失去了承载力。因此，明白钢管混凝土的脱空机理，并针对性地采取防治措施，才能实现钢管混凝土在拱桥上的应用更加高效与长久。
1钢管混凝土拱桥灌注工艺
钢管混凝土拱管内混凝土的灌注是全桥施工中最重要的一道工序，灌注工艺的质量决定了成桥后钢管和混凝土之间联合承载的效果。因此，钢管混凝土结构要充分发挥其优势，就要保证钢管与混凝土之间具有足够强的粘结力，足以可见拱内混凝土的浇灌工艺及方法就显得尤为重要。
钢管混凝土拱内混凝土灌注方法有立式手工浇捣法、高位抛落无振捣法、泵送顶升浇灌法，以及目前常用的真空辅助法泵送管内混凝土的方法。下面介绍四种灌注方法的工作原理及优缺点。
立式手工浇捣法是比较传统的工艺，其工作原理就是混凝土有钢管上口灌入，并用振捣器捣实，这一工艺在早期的小跨径钢管混凝土拱桥中采用，现已不采用，其最大的缺点就是施工速度慢、效率低，质量受振捣操作人员影响而得不到保证；高位抛落无振捣法是利用混凝土在空钢管内自高处落下时产生的动能，而达到混凝土振捣的目的，其优点在于施工效率得到提高，并且无振动无噪音，缺点在于此方法占用塔吊，与钢结构吊装作业冲突；泵送顶升浇灌法是现在钢管混凝土拱桥灌注施工时优先采用的一种方法，其工作原理是将一带闸门的支管安装在钢管接近地面的恰当位置，该支管直接与泵的输送管相连，通过泵车向钢管内自下而上地灌入混凝土，该灌注工艺大大提高了工作效率、提高了混凝土的灌注质量，缺点在于对于高结构需要分级分段施工，且此方法需要在钢管壁开洞，影响结构的美观；真空辅助法泵送管内混凝土，其工作原理是首先利用大功率真空泵将未灌注混凝土的钢管抽至接近真空的状态，然后将混凝土从两侧拱脚对称向拱顶连续顶升压注入钢管内，该方法的优点在于实现了拱肋混凝土在真空状态下的快速、连续灌溉，提高施工质量和效率，减少管内混凝土脱粘现象，解决了大跨径钢管混凝土灌注密实性，而它的缺点就在于无法实现真正的真空。
2钢管混凝土拱桥脱空机理
钢管混凝土的脱空根据出现脱空的时间先后可以分为初期脱空、早期脱空与长期脱空。初期脱空是指混凝土灌注开始到终凝结束，这一过程中混凝土泌水和沉缩造成的脱空。早期脱空是指混凝土终凝后十四天左右，混凝土水化收缩和自收缩以及冷缩造成的脱空。长期脱空是运营期的钢管混凝土拱桥由于日照温差、季节温差以及混凝土收缩徐变造成的脱空[1]。
钢管混凝土拱桥的脱空是初期、早期、长期三个阶段综合累积作用造成的结果。首先施工阶段，由于钢管内空气的存在，使得在浇注混凝土时管内形成气泡，当钢管仰角为某一值时，管内气泡的浮力在钢管切线方向的投影等于钢管和混凝土之间的粘结力，由二力平衡可知气泡处于平衡静止状态，钢管的这一仰角被称之为空气临界逃逸角[2]。施工灌注中，在拱顶开排气孔，一遍混凝土灌满钢管时，管内气体可以排出。然而，由于空气临界逃逸角的存在，当钢管倾角小于等于空气临界逃逸角时，管内容易形成气腔；同时灌注完成之后，由于混凝土的泌水作用，水分占据气腔，而这些气泡就会不断向拱顶移动，造成钢管混凝土在施工灌注时就会发生脱空。再者，由于管内混凝土浇注完成到形成一定强度，其中的水化作用以及水分的不断蒸发，也会导致混凝土的体积变小，使得其微膨胀性能在钢管内失效，但是外钢管基本不受影响，从而导致管内混凝土脱空。
此外，在钢管混凝土拱桥运营期间，在日照作用下，造成内外温差，形成梯度应力，当界面接触应力超过粘结强度时，从而造成脱空。
3钢管混凝土拱桥防治措施
3.1 设计阶段预防
尽管钢管混凝土凭借其高强性能已在拱桥中得到了大量的应用，但依然存在着理论落后于实践的问题，这使得在钢管混凝土拱桥的设计阶段就存在着致使钢管混凝土拱桥后期脱空的隐患。目前，相关的规范与措施都不能彻底解决钢管混凝土的脱空问题[3]。而通过对其脱空机理的深入分析，可知设计时保持钢管的仰角大于空气临界角时，可以有效的防止施工灌注过程中的脱空。
3.2 施工阶段防止
在我国通常采用泵送顶升法向钢管内灌注混凝土，在灌注的过程中就存在着部分空气未排除从而导致脱空的问题，针对这一施工缺陷可采取下面措施：
(1)在泵送顶升混凝土之前，先将水泥净浆泵送入钢管内，起到润滑和清除管内杂物的作用，同时在钢管上开排气孔[4]。
(2)分阶段进行人工灌注，并预留插孔，以便用振捣棒振捣管内混凝土；
(3)整个灌注过程中采用抽气设备抽取排气孔处负压；
(4)采用拱顶预压、低温封拱等施工工艺避免脱空现象的发生；
(5)采用管壁内设纵向加劲肋以及横向设置法兰盘等构造措施
3.3 运营阶段防治
(1)二次灌浆法
在发生脱空处的钢管表面进行钻孔，将水泥砂浆灌入脱空处，使脱空处的混凝土再次密实。该方法虽然简单有效，但二次灌注的混凝土发生收缩或灌浆不饱满，会造成脱空处二次脱空。
(2)外加套环法
在原钢管外再套一个钢管混凝土环，钢管分为两半，先用法兰螺栓连接，在灌注后的混凝土达到设计强度后，通过螺栓对圆环混凝土施加预应力，在达到设计压力后对其进行焊接。
(3)保温法
在钢管外表面通过包裹塑料泡沫等材料，降低钢管和混凝土之间的温差，从而有效防止由于温差造成的脱空。
4结论
钢管混凝土结构以其组合结构的多种优势，已在拱桥中得到了广泛的应用，并且和斜拉桥悬索桥一样越来越多地迈向大跨径桥梁中去。钢管混凝土的脱空是施工灌注中的混凝土沉缩、水化热阶段的水化收缩以及运营期日照温差造成的截面梯度应力共同造成的脱空。对于钢管混凝土的脱空防治，应从设计、施工、运营三个阶段综合考虑。
参考文献
[1]张波波. 钢管混凝土拱桥初应力和脱空问题研究分析[D]. 长安大学, 2012.
[2]韩玉. 超大跨CFST拱桥施工关键计算理论与控制研究[D]. 重庆交通大学, 2019.
[3]沈书升. 钢管混凝土拱桥拱肋脱空机理和相关结构稳定性影响研究[D]. 长安大学, 2015.
[4]杨占峰. 大跨径CFST拱桥钢管混凝土灌注质量控制探讨[J]. 西部交通科技, 2020, 156(7): 166-169.
作者简介：
张亚丽(1996—)，女，汉族，山西沁水人，重庆交通大学硕士研究生，研究方向：钢管混凝土拱桥。