钢管混凝土拱桥温度问题研究综述

唐子越

（重庆交通大学土木工程学院 重庆 400074 ）

摘要：桥梁长期暴露于野外自然环境之中，不可避免受到环境温度、日照辐射等因素的影响，其温度效应较为显著，近年来国内外学者已开始关注温度作用对钢管混凝土拱桥的影响，普遍认识到温度作用会影响桥梁的线形、引起结构脱空、增加结构应力等，进而影响结构的安全。

关键词：钢管混凝土拱桥 温度场 温度效应

1钢管混凝土拱桥温度场与温度效应研究现状

钢管混凝土拱桥的大规模建设始于20世纪90年代，与混凝土桥梁不同，其核心混凝土被钢管外包，难以发现由温度应力引起的开裂、脱空等问题，温度效应造成的问题具有隐蔽性^[1]。同时钢管与混凝土材料的差异性导致其温度传导性也大不相同，其温度效应更为复杂。因此，对钢管混凝土拱桥温度效应的研究也起步较晚，并且钢管混凝土拱桥在国外少有应用，相关研究主要集中于国内。

在温度场的研究方面，陈宝春等基于有限差分法对钢管混凝土截面温度场进行求解，并通过试验进行了验证。范丙臣通过构件足尺试验得到了大气温度、日照等作用下的温度场，并对有效温度取值给出建议。陈可、孙国富分别在实桥拱顶截面测得了日照下哑铃型截面单根管的温度场，并与有限元结果进行了对比。李翔研究了位处高原山区的钢管混凝土拱桥温度梯度作用。朱晓文对某四肢桁式钢管混凝土拱肋的截面日照温度场，通过理论与试验相结合的方式进行了分析，发现上哑铃截面温度要高于下哑铃。刘振宇对一组横、竖放的钢管混凝土构件进行了日照温度场测试试验，也发现日照作用下构件的截面温度场有明显的非线性，且混凝土中心温度变化明显滞后于外界。同样的，闫雯通过有限元分析与温度场实测试验，发现了钢管混凝土截面温度场突出的时变非线性和空间非线性。在截面温度场的影响因素研究方面，汪鹤利用ANSYS建立拱肋截面平面模型，分析了截面倾角与直径等对温度场的影响，发现倾角对其影响不大，而直径越大温度变化越缓慢，且极值温度越小的规律。金晓飞分析了不同方位对圆钢管、方钢管、工字钢3类钢构件表面日照温度分布的影响，得出构件与南北向夹角对温度场影响不大、构件截面面积与最大温度成正比的结论；然而刘红波却得出构件空间摆放方位对其温度场有很大影响的不同结论。刘树堂对箱型钢构件温度场进行了数值模拟，认为太阳辐射强度、对流换热系数、表面太阳辐射吸收系数对温度场的影响起主导作用，同时构件尺寸越大，温度场分布越不均匀。在钢管混凝土拱桥温度效应研究方面，赵毓成通过对比分析国内外规范并模拟分析各自的温度应力，认为英国规范比较接近实际情况，而中国规范还有待考虑，且桥梁内力随温度增大而增大的规律。尚军针对某座钢管混凝土拱桥进行了温度作用下的稳定性分析，得出该桥的整体稳定性是随着温度的升高而降低，随着温度的下降而提高的结论。王新泽研究了温度对钢管混凝土拱桥的挠度影响，发现拱肋竖向挠度会随着温度产生较大变化，从拱趾到拱顶不断增大，且上下弦变化也不相同的现象。张高扬利用实测数据与温度效应值对比，对参数敏感度进行了分析，找出最合理参数值，并针对最不利温度应力情况进行了重点研究。

从上述研究可以看出，钢管混凝土拱桥的温度效应已引起工程界关注，学者们通过现场实测、数值模拟等方式获取了构件温度场，对钢管混凝土构件内的温度场呈高度非线性达成共识，但大多针对某一特定二维截面，虽发现方位、遮挡等对温度场影响较为复杂，但对于具体规律不同人得出不同结论，尤其是遮挡影响的研究还较为欠缺。

2温度对混凝土浇筑施工的影响研究现状

钢管内混凝土灌注通常使用从拱脚到拱顶，两端对称压注的方式进行施工灌注，在灌注过程中，需要考虑液态混凝土的自重作用以及对钢管的液压力作用，而且灌注期间由日照引起的非线性温度场也不可忽视，近年来已有学者对混凝土浇筑过程的温度影响进行了初步研究。

《钢管混凝土拱桥技术规范》从混凝土材料的工作性能方面考虑到温度对混凝土浇筑过程有不容忽视的影响，规定混凝土浇筑时的环境气温应大于5℃，而当泵送顶升环境气温高于30℃时，宜采取措施降低钢管温度^[29]。在理论研究方面，国内外学者从混凝土浇筑过程中的温度分布规律以及对结构性能的影响方面也进行了研究。林春姣在核心混凝土浇筑阶段对一根圆截面钢管混凝土拱模型的温度场和温度效应进行了试验观测与数值模拟，得到了混凝土水化热引起的结构残余内力，并对计算合龙温度进行了计算；赵福利研究认为泵送混凝土施工应在气温不高的时段开展，以保证混凝土坍落度要求；同时他还指出混凝土灌注过程中，钢管拱肋是唯一受力构件，通过分析日照温度与混凝土自重荷载作用下的结构响应，发现日照温度作用对钢管受力和线性影响较大；李刚推测钢管混凝土在现场气温高于浇注气温10~15℃时会存在脱空现象，尤其是在低温条件下正常浇注的钢管混凝土将会在多数时间内存在脱粘现象；安欣通过研究认为决定计算合拢温度的主要因素是混凝土强度形成过程中的环境温度以及管内混凝土水化热的大小；韩连涛认为在钢管混凝土拱桥施工时先合拢空钢管，后灌注混凝土，截面刚度和强度是逐步形成的，其合龙温度取混凝土强度形成时的温度。

因此，在温度对混凝土浇筑的影响方面，研究者围绕脱空，普遍认为混凝土浇灌时需考虑环境温度的影响，并给出了合龙温度取值建议，但超大跨钢管混凝土拱桥浇筑周期长，浇灌时即经历骤变温差与水化热的复杂影响，此亦为西部山区超大跨钢管混凝土拱桥发生脱空的主要原因。

3温度对钢管和混凝土粘结状况的影响研究现状

钢管混凝土拱桥的自重轻、强度高、刚度好等优点是建立在混凝土密实填充钢管的基础上的，但由于钢管与混凝土的热物理性能存在差异，温度作用下钢管与核心混凝土的变形会出现不协调，进而出现脱空，既有研究就发现温度是造成钢管混凝土脱空的主要原因。

林春姣、郑皆连等系统总结分析了钢管混凝土拱桥的脱粘问题，并给出了一些防止脱空的建议。通过总结他们认为脱粘可分为两大类：一类是混凝土本身密实性很好，但由于轴向压力、核心混凝土的收缩徐变、温度变化及膨胀剂失效等方面的影响，使得钢管与混凝土产生界面脱粘的现象；另一类是管内混凝土不密实或存在空洞。忻嘉昆研究发现由于钢管和混凝土材料导热性不同，反复温度作用下将形成温度残余变形，钢管将相对扩张，而管内混凝土因徐变、收缩将相对缩小，进而不可避免会产生脱空。苏俊臣计算了轴压、水化热、日照温差和收缩引起的脱粘变化过程，得出了典型钢管混凝土构件在这几种因素作用下均会产生脱粘的结论。童林认为温度的变化较轴压荷载更容易引起钢管混凝土的脱粘。吴德明分析了不同来源的温差对钢管混凝土交界面的纵向拉应力和径向拉应力的影响，认为水化热引起的温差和日光、大气温度变化引起的温差都会引起交界面中的钢管和混凝土发生相对滑移，且日光、大气温度变化引起的温差会导致混凝土发生脱空。殷迅结合理论计算，分析了温度对钢管混凝土拱桥管内混凝土脱粘的影响，认为大直径钢管混凝土拱桥比小直径的脱粘更严重。

因此，在温度对脱空的影响方面，学者们研究了脱空产生原因，认为温度是脱空的主要原因，且大直径CFST脱空更严重，但目前多基于均匀温度，且关于分布模式的量化分析相对缺乏，脱空防治缺乏精准的理论支撑。

参考文献

[1]童林,夏桂云,吴美君,上官兴.钢管混凝土脱空的探讨[J].公路,2003(05):16-20.

[2]《中国公路学报》编辑部.中国桥梁工程学术研究综述·2014[J].中国公路学报,2014,27(05):1-96.DOI:10.19721/j.cnki.1001-7372.2014.05.001.

作者简介：唐子越（1997-），男，汉族，广西柳州人，重庆交通大学硕士研究生，研究方向：钢管混凝土拱桥