唐?？? 解威威 葉志權(quán) 馬文輝

基金項(xiàng)目：廣西科技基地和人才專項(xiàng)“基于多源信息融合和多變量聯(lián)合反演的CFST拱橋管內(nèi)混凝土性能智能評(píng)估技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用”（編號(hào)：桂科AD23026009）；交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)科技項(xiàng)目“大跨徑CFST拱橋管內(nèi)混凝土性能全壽命評(píng)估技術(shù)與多功能檢測(cè)機(jī)器人研發(fā)及應(yīng)用”（編號(hào)：2022-ZD6-085）

作者簡(jiǎn)介：唐?？?993—），碩士，工程師，主要從事拱橋施工監(jiān)測(cè)與控制技術(shù)研究工作。

文章以六律邕江大橋?yàn)橐劳泄こ?，基于物?lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)管內(nèi)混凝土灌注過程鋼管及核心混凝土的應(yīng)力和溫度進(jìn)行了實(shí)時(shí)、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)；同時(shí)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(jié)應(yīng)力的計(jì)算模型；進(jìn)而根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算了鋼管與核心混凝土界面的粘結(jié)應(yīng)力，并對(duì)其脫粘概率進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，該橋管內(nèi)混凝土凝結(jié)硬化穩(wěn)定后，最大粘結(jié)應(yīng)力小于界面粘結(jié)強(qiáng)度且脫粘概率較小，與超聲波的檢測(cè)結(jié)果吻合，說明界面粘結(jié)狀態(tài)良好。

鋼管混凝土拱橋；脫粘；自動(dòng)化監(jiān)測(cè)；徑向粘結(jié)應(yīng)力；概率

U448.22A311104

0?引言[HJ1.35mm]

鋼管混凝土拱橋因其受力性能優(yōu)越、施工便捷、經(jīng)濟(jì)美觀等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于我國(guó)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(xié)調(diào)以及混凝土自身收縮徐變的影響，鋼管混凝土拱橋容易發(fā)生脫粘，尤其在西部地區(qū)強(qiáng)日照、溫差大的環(huán)境條件下更為顯著。脫粘會(huì)降低鋼管與核心混凝土的協(xié)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(jié)狀態(tài)受環(huán)境條件和外荷載作用影響顯著，為能夠在拱肋脫粘后及時(shí)采取相應(yīng)的處理措施，需要對(duì)界面的粘結(jié)狀態(tài)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和分析。目前鋼管混凝土拱肋粘結(jié)狀態(tài)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)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(yè)條件受環(huán)境因素限制，采集的數(shù)據(jù)連續(xù)性差，而且很容易遺漏重要或危險(xiǎn)的數(shù)據(jù)信息，無法適應(yīng)拱肋粘結(jié)狀態(tài)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的需求。另一方面，現(xiàn)有界面粘結(jié)狀態(tài)的分析主要是針對(duì)界面粘結(jié)抗力的研究。王振等［7］基于試驗(yàn)研究和數(shù)值分析，提出了鋼管混凝土界面粘結(jié)—滑移關(guān)系的簡(jiǎn)化計(jì)算模型，但該模型主要是針對(duì)切向位移的計(jì)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(jié)強(qiáng)度與鋼管軸向荷載、環(huán)境溫度以及混凝土收縮量的關(guān)系，但是沒有綜合考慮恒載和溫度的影響；Roeder等［10］基于試驗(yàn)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(tài)；劉振宇等［9］采用了對(duì)拉法和彎拉法測(cè)試了鋼板與混凝土之間的法向粘結(jié)力，得到了不同鋼材表面特性的臨界粘結(jié)強(qiáng)度；余新盟等［11］基于對(duì)拉試驗(yàn)測(cè)定了鋼板與混凝土的界面粘結(jié)強(qiáng)度，并通過統(tǒng)計(jì)分析得出了不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)條件下的界面粘結(jié)強(qiáng)度概率分布特性，建立了界面粘結(jié)強(qiáng)度與混凝土強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。然而，目前尚缺乏基于實(shí)際荷載效應(yīng)的粘結(jié)狀態(tài)計(jì)算模型，導(dǎo)致無法根據(jù)實(shí)際環(huán)境條件和荷載作用對(duì)界面粘結(jié)狀態(tài)進(jìn)行長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)和分析。

鑒于此，本文以六律邕江大橋?yàn)橐劳泄こ?，基于物?lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)管內(nèi)混凝土灌注過程鋼管拱肋及管內(nèi)混凝土的應(yīng)力和溫度進(jìn)行了實(shí)時(shí)、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。同時(shí)，基于彈性理論的厚壁圓筒模型，根據(jù)鋼管拱肋與核心混凝土交界面的位移協(xié)調(diào)條件，建立了界面粘結(jié)應(yīng)力的計(jì)算模型。進(jìn)而，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)鋼管混凝土拱肋的脫粘概率進(jìn)行了分析，并與超聲波檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

1?工程概況

六律邕江大橋是泉州至南寧高速公路改擴(kuò)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(jì)算跨徑265 m，矢高58.889 m，矢跨比1/4.5，拱軸系數(shù)1.352。橋跨組合為4×30（預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)小箱梁）+280（鋼管混凝土下承式系桿拱橋）+3×30（預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)小箱梁）m，全長(zhǎng)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(jié)構(gòu)，單側(cè)拱肋分7個(gè)節(jié)段，全橋共28個(gè)節(jié)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(shí)微膨脹混凝土，分兩級(jí)由兩岸同時(shí)泵送。

2?結(jié)構(gòu)應(yīng)力和溫度監(jiān)測(cè)

2.1?管內(nèi)混凝土應(yīng)力監(jiān)測(cè)

本項(xiàng)目對(duì)柳州岸下游節(jié)段拱肋外側(cè)上弦管的管內(nèi)混凝土徑向應(yīng)力和溫度進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)截面為拱腳、L/4和拱頂截面，共布置了9個(gè)徑向應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，每個(gè)監(jiān)測(cè)截面分別布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)（見圖1），采用內(nèi)埋型振弦式應(yīng)變計(jì)（JMZX-212AT）進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過布置在監(jiān)測(cè)截面附近的數(shù)據(jù)采集儀（JMJK-32A）進(jìn)行自動(dòng)采集和傳輸。

2.2?鋼管應(yīng)力和溫度監(jiān)測(cè)

對(duì)柳州岸下游節(jié)段拱肋弦管的軸向應(yīng)力和表面溫度進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)截面分別為拱腳、L/8、L/4、3L/8和拱頂截面，共布置了20個(gè)應(yīng)力和溫度測(cè)點(diǎn)，每個(gè)監(jiān)測(cè)截面分別布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置在每根弦管的上緣，采用振弦表面應(yīng)變計(jì)（BGK-4000X）同時(shí)監(jiān)測(cè)鋼管的應(yīng)力和溫度，見圖2，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過布置在監(jiān)測(cè)截面附近的數(shù)據(jù)采集儀（BGK-MICRO40）進(jìn)行自動(dòng)采集和傳輸。

3?界面粘結(jié)應(yīng)力

3.1?徑向脫粘機(jī)理

管內(nèi)混凝土凝結(jié)硬化過程中，由于水泥漿體對(duì)鋼管內(nèi)表面氧化層的滲透，以及水化過程水泥晶體的生長(zhǎng)硬化，在鋼管與核心混凝土之間形成一定強(qiáng)度的化學(xué)膠結(jié)力，其既可以抵抗鋼管與核心混凝土沿切向的相對(duì)滑移，也可以抵抗兩者沿徑向的相對(duì)變形，而抵抗徑向變形的這部分抗力即為界面粘結(jié)強(qiáng)度［p］。由于鋼管與核心混凝土的線膨脹系數(shù)、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(huì)在界面上產(chǎn)生粘結(jié)應(yīng)力p，當(dāng)p＜p時(shí)，鋼管與核心混凝土處于緊密貼合狀態(tài)；當(dāng)p=p時(shí)，兩者處于即將脫粘的臨界狀態(tài)；當(dāng)p＞p時(shí)，兩者處于脫粘狀態(tài)。

3.2?徑向粘結(jié)應(yīng)力計(jì)算模型

將鋼管與核心混凝土沿徑向的變形簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問題（計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖3），假定鋼管和核心混凝土在界面上產(chǎn)生的累積徑向位移分別為Us和Uc，則脫粘臨界狀態(tài)的徑向位移協(xié)調(diào)條件可以表示為式（1）：

基于式（1）的位移協(xié)調(diào)條件，考慮溫度、界面徑向粘結(jié)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(jié)力作用

根據(jù)彈性理論，厚壁圓筒模型承受均勻內(nèi)、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(jiǎn)化為承受均勻內(nèi)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(jié)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(shù)。

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(yīng)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(jié)應(yīng)力為：

根據(jù)式可以計(jì)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(jié)應(yīng)力，當(dāng)其大于界面所能抵抗的臨界粘結(jié)強(qiáng)度時(shí)，說明鋼管與核心混凝土已經(jīng)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(jié)強(qiáng)度。相關(guān)試驗(yàn)研究表明，臨界粘結(jié)強(qiáng)度主要與鋼管的內(nèi)表面特性、核心混凝土的抗壓強(qiáng)度和養(yǎng)護(hù)條件有關(guān)，取值范圍為0.86～1.24 MPa。

4?拱肋粘結(jié)狀態(tài)分析

4.1?計(jì)算參數(shù)取值

由式可知，確定鋼管與核心混凝土徑向粘結(jié)應(yīng)力的參數(shù)主要有主拱圈結(jié)構(gòu)的材料和幾何特性、鋼管的表面溫度、鋼管的軸向應(yīng)變、核心混凝土的徑向應(yīng)變。

4.1.1?結(jié)構(gòu)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(shù)αs=1.2×10-5；拱腳截面鋼管的外半徑b=500 mm，內(nèi)半徑a=472 mm。

4.1.2?核心混凝土徑向應(yīng)變

六律邕江大橋管內(nèi)灌注C55自密實(shí)無收縮微膨脹混凝土，混凝土凝結(jié)硬化過程中會(huì)產(chǎn)生較大的膨脹作用，期間會(huì)對(duì)徑向應(yīng)變產(chǎn)生很大的擾動(dòng)（見圖4），越接近終凝其擾動(dòng)就越小。終凝后，核心混凝土的徑向應(yīng)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(nèi)混凝土硬化收縮穩(wěn)定后（灌注后第10 d）的徑向應(yīng)變值用于界面粘結(jié)狀態(tài)的分析。

4.1.3?鋼管表面溫度

鋼管的表面溫度通過監(jiān)測(cè)鋼管軸向應(yīng)力的振弦式表面應(yīng)變計(jì)同時(shí)采集，沿弦管軸線方向不同監(jiān)測(cè)截面的溫度變化情況見圖5。由于拱腳截面的相應(yīng)溫度測(cè)點(diǎn)損壞，且沿弦管軸線方向的溫度變化趨勢(shì)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(jiān)測(cè)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(nèi)混凝土應(yīng)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(nèi)混凝土應(yīng)變每1 h采集1次，為確保計(jì)算的連續(xù)性，本文取1 h內(nèi)鋼管表面溫度的平均值作為該時(shí)段的溫度代表值。

4.1.4?鋼管軸向應(yīng)變

柳州岸下游節(jié)段的外側(cè)上弦管不同監(jiān)測(cè)截面的軸向應(yīng)力變化見圖6，其中，拱腳截面測(cè)點(diǎn)在拱肋安裝施工過程中損壞，L/4和3L/8截面的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可用。由圖6可知，兩者的鋼管軸力變化規(guī)律有一定差異。因此，本文通過數(shù)值模擬，分析不同監(jiān)測(cè)截面的軸向應(yīng)力變化情況，確定與拱腳應(yīng)力接近的監(jiān)測(cè)截面。

采用Midas Civil軟件建立管內(nèi)混凝土灌注施工階段的空間有限元模型（見圖7），對(duì)管內(nèi)混凝土灌注過程的鋼管軸力進(jìn)行分析。模型中拱桁采用梁?jiǎn)卧?，拱腳腹板采用板單元；主拱材料采用Q345鋼；管內(nèi)混凝土采用C55混凝土，采用Japanese（Elastic）規(guī)范建議的彈性模量增長(zhǎng)曲線模擬混凝土強(qiáng)度的變化，采用《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62-2004）的參數(shù)設(shè)置來考慮管內(nèi)混凝土的收縮徐變；采用施工階段聯(lián)合截面模擬鋼管混凝土截面；因灌注混凝土?xí)r已封拱腳，故弦管和軸鉸的邊界條件取為固結(jié)。

經(jīng)有限元分析計(jì)算，管內(nèi)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(nèi)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(nèi)混凝土的強(qiáng)度發(fā)展和收縮特性后使剛度沿軸線分布不均勻?qū)е?。因此，本文在?jì)算界面粘結(jié)力時(shí)，拱腳截面的軸力近似取L/4截面的軸向應(yīng)變監(jiān)測(cè)值進(jìn)行計(jì)算。另外，由于鋼管軸力采集頻率高于管內(nèi)混凝土應(yīng)變，為確保計(jì)算的連續(xù)性，取1 h內(nèi)鋼管軸力的平均值作為該時(shí)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(nèi)混凝土徑向應(yīng)變、鋼管軸向應(yīng)變、鋼管表面溫度的取值代入式，可以計(jì)算得到不同時(shí)刻的界面粘結(jié)應(yīng)力（見圖9），其中拉、壓應(yīng)力最大值分別為0.85 MPa和-0.58 MPa。

相關(guān)試驗(yàn)研究和統(tǒng)計(jì)分析表明，對(duì)于封閉養(yǎng)護(hù)的C55強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，界面臨界粘結(jié)強(qiáng)度服從均值為μ=0.98 MPa、標(biāo)準(zhǔn)差為σ=0.13 MPa的正態(tài)分布，此時(shí)鋼管與核心混凝土之間的脫粘概率可以根據(jù)式（9）進(jìn)行計(jì)算：

式中：pb——根據(jù)式計(jì)算確定的界面粘結(jié)應(yīng)力。

將計(jì)算得到的界面粘結(jié)應(yīng)力代入式（9），可以確定不同時(shí)刻界面發(fā)生脫粘的概率（見圖9），其中監(jiān)測(cè)過程的最大粘結(jié)拉應(yīng)力pb=0.85 MPa＜p=0.98 MPa，相應(yīng)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(yàn)證

管內(nèi)混凝土灌注完成后，采用非金屬超聲波檢測(cè)儀對(duì)管內(nèi)混凝土的密實(shí)度進(jìn)行了檢測(cè)。由于無法在拱腳處搭建工作平臺(tái)，考慮到檢測(cè)安全和工作面限制等因素，選取拱肋節(jié)段1和節(jié)段2連接的第一個(gè)施工掛籃位置作為拱腳檢測(cè)區(qū)，該測(cè)區(qū)內(nèi)布置了6個(gè)檢測(cè)截面（間距為10 cm），每個(gè)截面按米字形對(duì)稱布置4對(duì)測(cè)線。

柳州岸下游外側(cè)上弦管的檢測(cè)時(shí)間分別為管內(nèi)混凝土灌注完成后的第3 d、第9 d和第13 d，測(cè)區(qū)內(nèi)各檢測(cè)截面不同側(cè)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(jù)鄭皆連等［12］對(duì)管內(nèi)混凝土灌注工藝試驗(yàn)的研究結(jié)果，對(duì)于管徑660 mm、管內(nèi)灌注C60微膨脹混凝土的鋼管混凝土拱肋，超聲波波速檢測(cè)值＞4 000 m/s時(shí)真空管未出現(xiàn)脫粘脫空現(xiàn)象。六律邕江大橋鋼管拱肋單管直徑1 000 mm，管內(nèi)灌注C55微膨脹混凝土，超聲波波速檢測(cè)最小值＞5 000 m/s，可以認(rèn)為鋼管混凝土拱肋未出現(xiàn)脫粘脫空，與本文的粘結(jié)狀態(tài)分析結(jié)果基本吻合。

5?結(jié)語

（1）徑向粘結(jié)應(yīng)力是決定鋼管混凝土拱肋脫粘的關(guān)鍵參數(shù)，當(dāng)管內(nèi)混凝土凝結(jié)硬化穩(wěn)定后，溫度是影響界面粘結(jié)狀態(tài)的主要因素。

（2）監(jiān)測(cè)過程中界面粘結(jié)應(yīng)力最大值為0.85 MPa，小于C55強(qiáng)度等級(jí)混凝土在封閉養(yǎng)護(hù)條件下的臨界粘結(jié)強(qiáng)度，相應(yīng)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(cè)結(jié)果基本吻合。

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