复杂地形条件下大跨度钢管混凝土拱桥施工质量控制技术-集团

中国交通建设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术申报单位：中交第四公路工程局有限公司项目负责人：林新元项目经费：310万完成时间：2015年1月～2017年5月中国交通建设股份有限公司制订一、立项背景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，它揭开了我国大规模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城市桥梁中发展迅猛，据不完全统计，至今我国已建成钢管混凝土拱桥230座以上，其中跨度超过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丰富多样，已建成的钢管混凝土拱桥无论是跨径还是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术研究有许多成功的经验，也已取得了一定的成果。虽然我国在钢管混凝土拱桥建设方面取得了举世瞩目的成就，但总的来说，钢管混凝土拱桥的设计理论与技术发展速度相对滞后于钢管混凝土拱桥的建设速度。故在实际工程中，无论是设计还是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计算时，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规范、同时参考其他行业的有关钢管混凝土的设计规程，因此在计算、设计中缺乏科学的理论体系、有一定的盲目性，导致设计计算结果有些偏于不安全、有些则偏于不经济。事实上，钢管混凝土是一种新的复合材料，从内力分析至截面设计，都表现出与钢筋混凝土不同的性能。这些设计理论上的先天不足，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规范，许多控制精度目标是参考其他类型桥梁得出的，存在不合理的内容：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。此外，国内钢管混凝土拱桥的施工和技术管理水平普遍较低，施工工艺有待进一步改善，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程度的影响。总结近年来发生的病害可以看出，钢管混凝土拱桥主要病理特征表现为：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发展较快，且工程实例较多，但目前桥涵设计规范有关大跨径拱桥拱座的设计计算方法不是很完善，特别是大跨度钢管混凝土拱桥还有很多问题值得研究探讨。因为许多工程结构的破坏常常是从局部开始的，在对已建成的众多拱桥调查中发现，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关注和重视。施工养护措施不合理、外界温度变化太大、下部结构不均匀沉降等均为拱桥拱座开裂的主要原因。对于大部分钢管混凝土拱桥，拱座一旦出现较大裂缝，拱肋的形态将会发生较大变化，造成拱肋的几何初始缺陷增大，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复杂，且锚固了端横梁和系梁的预应力筋，拱座开裂后若未及时修复，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，对桥梁的安全性和耐久性造成不利的影响。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，其质量关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共同受力才能体现，这就需要保证管内的混凝土与钢管内壁之间能紧密接触。然而，由于钢管混凝土是两种性能截然不同的材料结合在一起，其亲和力有限，而且混凝土的施工工艺也无法保证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、很难避免。管内混凝土的可能缺陷包括：空腔、收缩缝隙、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现了脱空现象，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材料有关，也与混凝土本身的施工工艺及物理特性有关。如果不采取任何措施，界面拉应力可能会超过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不利影响。(3)沿钢管拱轴线方向在有限点采取可靠措施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共同工作的能力，使其受力性能与完全载结时较为接近，其有效性可通过长期观测和更多的实例进一步得到验证。(4)对相邻拱段之间内法兰构造进行正确的结构、强度和刚度设计，可以使内法兰构造起到有效限制钢管与混凝土之间相对滑移，改善脱载后钢管混凝土拱桥受力性能的作用。内法兰构造是治理脱载的有效手段之一，其有效性可通过长期观测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过程对于钢管混凝土拱桥混凝土的浇注，规范规定：“管内混凝土应采用泵送顶升压注施工，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，拱肋混凝土采用自下而上泵送灌注方式时，在压浆孔附近会产生很大的压强，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”，而导致严重的工程后果。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过程中，首先是对混凝土材料本身和施工工艺有一定的要求，然后就是对结构本身的安全性能的储备有一定的要求，只有这两个方面都做好了，结构施工和运营的安全才能得到保障。对于跨径较大的桥梁，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、良好的耐久性和工作性能，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过程中的一个核心问题。其中的关键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保证措施的确定。在拱肋泵送混凝土时，若采取混凝土一次泵入，腹腔钢管将承受较大的压力，腹板焊缝处的腹板的拉应力已超过300MPa，有“爆仓”的危险性，因此在混凝土浇注过程中应采取一定的措施解决“爆仓”问题，确保拱肋施工的安全顺利进行。3）吊杆病害福建省某座钢管混凝土拱桥的吊杆病害调查结果如下：该桥吊杆采用19φj15.24mm高强度低松弛预应力钢绞线，两端用YM15-19锚具，下端锚具采用锁头器锚固，并设有可调节横梁高度的螺母；上端锚具采用夹片锚锚固。吊杆采用外套钢管，管内压注40号聚丙乙烯纤维水泥浆防护。需特别指出，据大桥管养部门派驻现场的技术负责人介绍，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更。依据该变更，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。这一变更由检查过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，另外检查人员拔下木楔后发现内部确为砼且密实度尚可。此次检查发现吊杆存在病害如下。（1）吊杆发生扭曲变形，如图2所示。吊杆在竖直面内发生扭曲，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发生跨塌的事故。从横梁上部的水印痕迹可以看出，横梁渗水是造成锚头锈蚀的重要原因之一。除此之外，当地本身的空气污染，大气潮湿的天气环境对加剧锚头锈蚀也有一定程度的推动作用。对吊索系统的保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,发现有损坏时,必须及时处治。当锚头发现裂缝或破损,则应更换该吊杆。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、套筒长期暴露在大气中，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更换保护罩。由于原有的保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，将锚杯表面的锈迹用钢丝刷除锈，并清理干净，然后涂刷除锈剂（如蓝星牌XL—C038型）；③往保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安装保护罩。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。分析主要原因为第2根吊杆断裂导致桥梁垮塌。图5孔雀河大桥总之，对于吊杆的养护，必须予以重视。吊杆要避免横向冲击,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。发现系杆及防护板损坏应及时处理。如发现油脂渗漏,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超过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，均不约而同相继出现不少质量问题，一些钢管混凝土拱桥典型病例显示，由于设计的缺陷、施工期间质量控制和运营养护的不当，很多钢管混凝土拱桥在运营不久即发生一系列病害，严重影响结构的安全。因此，本项目以石门水库特大桥为工程背景，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分析，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、国内外研究概况及可行性分析1）拱脚受力性能研究现状随着钢管混凝土拱桥在我国的广泛应用和钢管混凝土拱桥受力特性的研究的不断深入，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分析，主要有计算方法和试验方法[5]。计算方法主要采用大型通用有限元的分析方法。在具体建立有限元模型时，一种是只建立由块体单元、壳单元、索单元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分析提供，在建立模型时除局部结点的模拟合理外，还要注意对截断的拱肋、端横梁等构件应留有足够的长度，以避免端部效应，必要时可通过初步计算来确定。另一种方法是建立全桥计算模型，在结点处单元划分得较细，且以块单元、壳单元和索单元为主，而其他构造单元划分得较粗，且以杆单元为主。这种方法一般模型较大，构造复杂，较少采用。随着通用程序中后处理功能的不断增强，单元精度的不断提高和计算方法的改进，加上计算机硬件的进步，只要模型建立合理，以弹性受力分析为主的拱脚结点一般均能获得合理的计算结果，因此有限元计算方法已成为拱脚结点受力分析中简单易行的一种实用方法。试验方法根据试验材料和原理的不同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、边界条件，用光测弹性仪观测切片的等色线、等倾线，得到应力分布规律[7]。光弹性试验的理论基础是物理光学和弹性力学，试验结果能反应结果总体的受力性能和规律，应力数值从量级上能反应结构的受力情况。但试验只能得到部分数值，而且存在一定的误差。试验工艺和高分子材料有密切关系，目前通用环氧树脂是最佳的选择，但该材料有一定的缺陷，如因空气中的湿度和温度的影响，会造成一定的模型边界局部的压应力，即所谓的边缘效应，造成不可避免的误差，同时试验工艺中加力的边界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，测量的过程也存在一定的误差。还有试验费用较高，只能进行部分典型的试验。另一种试验方法是与原桥相同材料的足尺或按相似原理的缩尺模型试验，对于混凝土拱脚采用混凝土模型，对于钢拱脚则采用钢模型。足尺