钢管混凝土拱桥拱肋管内混凝土凝期内温度及应变场监测

研究龚辉

摘 要：采用在拱肋管内内置监测元件，对管内混凝土凝期的温度及应变场进行连续测试，测试结果发现，C60自密实混凝土的水化热集中于灌注后0 h～30.5 h释放，管中心最高温度高达74.6℃，管壁处温度低于管中心温度4℃～12℃;凝期内管内混凝土均处于三向压缩状态，但径向、环向及轴向在管内的场分布规则律各有不同，径向应变场及轴向应变场均呈现中心对称，但由于钢管对混凝土的套箍作用，越靠近管壁径向压缩越大而轴向压缩越小，环向应变则呈现明显的非对称状态。三向应变场及温度场随凝期的变化呈现高度协同性，温度升高的同时三向相对压缩，温度降低三向相对膨胀。

关键词：钢管混凝土;水化热;温度;应变

1 概述

钢管混凝土拱桥是我国近年来桥梁的主要型式之一，它具有用自重轻、强度大、抗变形能力强的优点，施工过程中钢管可作为施工模板兼劲性承重骨架，同时内填混凝土对钢管壁有较好的支撑作用，钢管混凝土充分发挥了钢和混凝土两种材料在受荷过程中相互间的组合作用[1]。钢管混凝土拱桥拱肋在施工过程中先架设空钢管拱肋，然后灌注管内混凝土，管内混凝土在凝结初期会释放大量的水化热，同时管内混凝土硬化过程中与管壁是否紧密贴合是二者共同协同受荷的关键。

徐爱民[2]进行3根直径550 mm，长1 500 mm圆钢管混凝土模型温度监测，得出结论灌注完管内混凝土总体温度高于大气温度，在截面呈内高外低的分布规律;冯斌[3]进行4根不同直径钢管混凝土构件的水化热进行监测，结果发现灌注完混凝土初期，截面中心与边缘处温差较大，且随截面尺寸加大，温差越大;林春姣[4]对1根直径325 mm钢管混凝土模型从空钢管合龙至混凝土灌注最终形成钢管混凝土拱肋整个过程的结构温度场和温度效应进行观测，发现管内混凝土水化热释放导致截面呈现先升温后降温的变化过程，并在拱肋截面上同时产生温度梯度。前人研究均集中于监测混凝土水化热释放，而忽视管内混凝土的应变场的变化，对于管内混凝土而言，这才是工程的关键关注重点。本文通过钢管内置监测笼的方式，现场实时监测管内混凝土温度及应变场的变化，为后续的理论研究提供数据铺垫。

2 监测方案

2.1 总体布置

本次监测依托某特大型上承式钢管拱桥，拱轴线采用悬链线，拱轴系数m=1.55，矢高h=100 m，矢跨比f=1/4.5。主拱圈采用等宽度空间桁架结构，一共有8根拱肋钢管，斷面高度从拱顶8 m变化到拱脚14 m（中到中），单片拱肋宽度4 m（中到中），横桥向两片拱肋间的中心距拱脚和拱顶处均为16 m。肋间设置横联和米撑。上、下弦拱肋钢管外径136 mm，拱肋下弦管自拱脚到拱顶壁厚分别为35 mm、32 mm、28 mm。钢管拱肋对接接头采用内法兰盘、管外焊接的形式进行连接。管内灌注C60自密实微膨胀混凝土。

选取半拱的拱脚、拱腰、跨中三个特征截面的左侧4根监测管进行监测截面布置，每个监测截面监测内容包括：温度监测、径向应变场监测、环向应变场监测、轴向应变场监测。

2.2 单个监测截面的监测点布置

根据监测内容，在每个监测截面内置一个长1 000 mm、直径1 200的监测笼，将传感器采用绑扎式固定于监测笼上，各监测变量相应的监测点位置为：

（1）温度场监测：管中心、管壁各1个测点;

（2）径向（轴向）应变场监测：管中心、左侧R/2处、左侧R处、右侧R/2处、右侧R处、顶部R/2处、顶部R处、底部R/2处、底部R处，径向（轴向）应变场共9个位置设置监测点;（见图1）

（3）环向应变场监测：左侧R/2处、左侧R处、右侧R/2处、右侧R处、顶部R/2处、顶部R处、底部R/2处、底部R处，共8个位置设置监测点。（见图1）

2.3 应变传感器定制

混凝土灌注初期是由液态过渡至固态，采用传感的应变传感器无法与被测介质之间完成耦合，本次设置专门的耦合圆片，见图2，在两耦合圆片间植入弱传感光纤，以保证初期数据的真实性。

3 测试结果及分析

本次监测是在管内混凝土灌注完成后开始至凝期满28天，全程采用全自动远程监控，实时将光纤波长数据上传至云端。每5 min测读一次，径向应变、环向应变、温度同时测读，限于篇幅，仅对下弦内侧管的拱脚截面监测结果进行分析。

3.1 温度测试结果分析

从图3可见，最高温度出现在浇筑后第二天（2018年8月17日）下午17：00，由于混凝土水化熟释放，管内温度持续升高，浇筑后30.5 h，管内最高温度高达74.6℃，管壁最高温度达52.6℃，而在灌注后193.5 h～219 h期间管内混凝土温度发生了急剧下降，下降幅度达10℃，随后在灌注后219.1 h～271.5 h管内混凝土温度又发现急剧升高，升幅也近10℃，后期管内混凝土温度缓慢下降。图3中还标识不同阶段的管内混凝土温度场，管中心温度始终高于管壁处温度，在灌注结束至灌注后193.5 h期间，管中心温度比管壁处温度高10℃～12℃，后期总体管中心点温度高于管壁温度4℃～5℃。

3.2 径向应变场分析

凝期28 d内管内径向应变场变化较复杂，从灌注到30.5 h期间管内混凝土急剧径向压缩，管中心处压缩变形最大，管壁处的压缩相对较小，随后径向压缩应变减小，管中心径向压缩应变减少的最快，到灌注后67.5 h，管中心径向由压缩过渡为膨胀，到灌注后85.5 h时，管中心径向膨胀微应变至67.1 uε，随后又呈现二次径向压缩，至灌注后100 h，管中心径向又由膨胀过渡为压缩，灌注后100 h～193.5 h这一期间，管内应变处于持续径向压缩，随后呈现二次径向膨胀，管中心至灌注后193.5 h径向膨胀微应变为101.8 uε，随后又出现第三次急剧径向压缩，压缩至灌注后271.5 h后，径向压缩明显变缓。靠近管壁位置处的径向应变和R/2处的径向应变在凝期内随时间的变化规律同管中心变化规律是一致的，只是整个凝期内整体都是径向压缩，相对于上一时段而言和管中心一样出现了相对压缩→相对膨胀→相对压缩→相对膨胀→相对压缩→趋于稳定的变化过程。

另外从图4呈现的管内混凝土径向应变场中可看出管内径向应变的分布情况，灌注后30.5 h之前，管中心混凝土径向压缩最大，靠近管壁径向压缩变小，而在30.5 h以后直至后期，管中心混凝土的径向压缩最小，管中心混凝土甚至出现两次短期的径向膨胀，越靠近管壁混凝土压缩变形越大。

3.3 环向应变场分析

凝期内管内混凝土环向应变的变化情况见图5，从场分布来看，整个凝期管内混凝土环向应变呈非对称状态，左侧管壁混凝土环向压缩变形明显要小于右侧管壁，左侧管壁混凝土在30.5 h～85.5 h时段内还出现环向膨胀现象，和径向应变一样，此截面管内混凝土在凝期内环向应变也经历压缩→相对膨胀→相对压缩→相对膨胀→相对压缩→趋于稳定的变化过程。

3.4 轴向应变场分析

凝期内下弦内侧管拱脚截面管内混凝土轴向应变变化较明显（见图6），浇筑结束后0 h～30.5 h期间，轴向急剧压缩，管中心压缩最明显，浇筑30.5 h时管中心压缩应变为854.5 uε，随后浇筑30.5 h～67.5 h管内混凝土出现相对膨胀，在浇筑后67.5 h～128.5 h期间，左上侧管内混凝土持续相对膨胀，管中心附近区域相对稳定，右下侧管内混凝土出现了二次相对压缩，右下侧管壁混凝土最大压缩应变为962.4 uε，在浇筑后128.5 h～219.1 h左上侧发生了相对压缩，右下侧管内混凝土发生了二次膨胀，在219.1 h时管内混凝土应变回归至初始状态（不压缩也不膨胀），浇筑后450 h～520 h期间轴向应变场又生了第三个膨胀压缩的应变循环，灌注后520 h以后至28 d凝期管内混凝土应变基本趋于稳定。

3.5 温度场、应变场协同变化性分析

由于光纤光栅无线传感自动监测技术可实现实时数据获取，本次对监测截面的温度场、三向应变场进行了实时监测，发现管内混凝土温度场及三向应变场的变化均是协同变化，具体见图7，整個变化期大致可分为以下几个阶段：

灌注后0 h～30.5 h：温度急剧升高、三向急剧压缩;

灌注后30.5 h～67.5 h（73.5 h）：温度急剧降低、三向急剧相对膨胀;

灌注后67.5 h（73.5 h）73.5 h～193.5 h：温度基本恒定，径向及环向缓慢压缩，轴向发生偏心，一侧相对膨胀，另一侧相对压缩;

灌注后193.5 h～219.1 h：温度急剧升高，三向急剧压缩;

灌注后219.1 h～271.5 h：温度急剧降低、三向急剧相对膨胀;

灌注后450 h～520 h：第三次小幅度升温降温，第三次小幅度三向应变相对膨胀压缩。

后期温度场及三向应变场趋于稳定。凝期内发生三次应变膨胀压缩循环的原因主要是在管内混凝土中加入了氧化镁复合膨胀剂，此种膨胀剂将不同活性轻烧氧化镁与氧化钙熟料按特定比例配制，利用氧化镁的延迟膨胀性能分阶段补偿管内混凝土压缩[5]。

4 结语

通过在钢管拱桥拱肋内置监测元件，对管内混凝土凝期内的温度场及应变场进行监测后得以下结论：

（1）C60管内混凝土的水化热释放集中在灌注后0 h～30.5 h，管中心温度高于管壁处温度，由于混凝土中添加复合膨胀外加剂，所以在凝期不同时段均出现了温升温降循环。

（2）管内混凝土三向应变在凝期内除了由于添加膨胀剂引起的局部短期膨胀外，整体处于三向压缩状态，钢管对管内混凝土的“套箍”效应明显。

（3）管内混凝土径向应变场在凝期内呈现中心对称状态，管中心处压缩应变最小，越靠近管壁，径向压缩应变越大，说明越靠近管壁，受到钢管的“套箍”作用越大。

（4）管内混凝土环向应变场在凝其内呈现非对称状态，虽然全过程环向均呈现压缩状态，但是两侧压缩变形明显不对称，其原因应该是迎光面或背光面环境温度荷载导致。

（5）管内混凝土轴向应变场在凝期内基本呈现中心对称状态，凝期前期及后期应变场的中心对称性要明显一些，但其规律与径向应变场相反，管中心处压缩应变最大，越靠近管壁，轴向压缩应变越小。

（6）凝期内温度场及三向应变场的变化具有高度协同性，温度升高的同时三向相对压缩，温度降低三向相对膨胀。

参考文献：

[1]张建民.大跨度钢管混凝土拱桥承载能力与施工控制研究[D].华南理工大学，2001.

[2]徐爱民.钢管混凝土拱桥温度特性研究[D].福州大学，2004.

[3]冯斌.钢管混凝土中核心混凝土的水化热压缩与徐变计算模型研究[D].福州大学，2004.

[4]林春姣.钢管混凝土拱计算合拢湿度研究[D].广西大学，2008.

[5]任达勇，柴国进，何阳，等.钢管混凝土用氧化镁复合膨胀剂试验研究与工程应用[J].新型建筑材料，2020（2）：45-48.