0 引言

　　钢管混凝土复合材料充分发挥了钢管的套箍效应，从而提高混凝土的极限抗压承载力，使得钢管混凝土复合材料在拱桥中得到广泛应用，桥梁跨径逐步提高。然而在建设过程中依然有一些问题未得到解决。巫山长江大桥和太平湖大桥在各根拱肋钢管的混凝土灌注完成后，主拱圈均出现很大异常响声和振动。对于这种现象，专家和学者在现场推测，主要有3种意见:(1)混凝土灌注过程中钢管拱肋接头法兰盘断裂;(2)管内混凝土灌注过程中荷载增加导致结构应力重新分布;(3)钢管和混凝土两种材料的性质不同，在外界因素影响下导致钢管和混凝土连接界面出现脱粘。本文以某大桥为工程背景，通过理论分析和工程实际检测对结构异常振动和响声的原因进行分析。

　　1 工程概况

　　某大桥位于泸州市榕山镇境内，其主跨530m为目前世界上已建成最大跨径的钢管混凝土拱桥。主拱圈采用直径为1 320mm、壁厚为22mm的Q345螺旋钢管，在工厂通过以直代曲的方式加工而成(见图1)。钢管拱肋通过缆索吊装斜拉扣挂的方式进行施工，待拱肋合龙并拆除斜拉扣挂系统后，向钢管内灌注C60微膨胀混凝土。为了解决既有钢管混凝土拱桥建设过程中混凝土脱空问题，该桥采用真空辅助灌浆技术，采用“三级接力”遵循先下弦后上弦的原则进行逐根灌注，拱肋灌注顺序如图2所示。

　　2 结构振动分析

　　2.1 现象描述

　　大桥8根主肋钢管的混凝土灌注共用时40d,2根管内混凝土灌注间隔时间为5d。在第1根管内混凝土灌注完成后第7天，拱肋第1次出现振动和响声，在拱肋上可感受到明显振动，这种偶发振动和响声持续27d，发生频率呈现前期较高后期逐渐降低。

　　

　　图1 某大桥施工立面(单位:m)  

　　 

　　

　　图2 管内混凝土灌注顺序  

　　 

　　为了分析拱肋产生振动和响声的原因，在拱肋上安装了拾振器和噪声监测仪，进行为期7d的监测。在拱圈上测得声响大小在80～120dB，响声类似于钢管被敲击时发出的声响。对各时间段内拱肋振动出现的振动频率进行分析，每天各时间段振动平均次数如图3所示。

　　

　　图3 主拱在24h内振动平均次数分布  

　　 

　　由图3可看出，拱肋在24h内振动频率呈抛物线分布，在每天14:00—16:00振动频率最高，在该时间段内振动频率达0.75次/h。

　　由现场监测可知，拱肋产生振动时未发生施工碰撞，现场也未出现阵风情况等异常外界因素，可排除外界荷载因素的影响。

　　拱肋在产生振动前后的线形和应力未产生明显变化(测量及环境误差)，对拱肋接头焊缝及拱脚封铰混凝土进行检查，结构表面未出现裂缝，可排除拱肋构件出现破坏的可能。

　　通过现场监测和检查，可排除外界荷载作用产生的影响，结构线形及应力正常，外表面未产生裂纹，可判断结构未发生整体破坏。通过排除法判断，可能是钢管混凝土结构内部产生某种变化。

　　2.2 原因分析

　　钢管混凝土作为一种复合材料，我国学者对这种结构进行了大量研究。陈宝春等^[1]、张治成^[2]、刘振宇等^[3]和殷迅^[4]的研究表明，温度对钢管混凝土脱粘有很大影响，脱粘空隙随着温度变化而变化。姜绍飞等^[5]对国内外钢管和混凝土作用关系进行了总结，分析了影响钢管和混凝土黏结强度的因素。在既有研究成果基础上，对钢管和混凝土脱粘进行分析，混凝土收缩、温度及轴力都会对钢管与混凝土的脱粘产生影响，温度是造成脱粘的主要原因。

　　钢管混凝土拱肋主要承受轴力及较小弯矩，由胡克定律可知，在轴力作用下，材料会产生横向变形。文献[6]研究表明，在拱肋管内混凝土灌注期间，混凝土应力不到其极限应力的0.2倍。混凝土的泊松比约为0.2，钢材的泊松比为0.3。由于钢管截面面积远小于混凝土截面面积，在轴向荷载作用下，混凝土横向变形大于钢管横向变形，钢管对混凝土起到径向约束作用，从而形成套箍效应。

　　钢材比热容为460J/(kg·℃)，而混凝土比热容为970J/(kg·℃)，钢材和混凝土相比，是热的良导体。混凝土在强度形成初期由于水化热作用，钢材和混凝土温度接近，且比外界温度高，两者之间不受外界温度因素影响。当混凝土水化热结束，两者温度低于环境温度后，钢管在日照和外界温度影响下，升温较快，而混凝土由于比热容大，温度上升较慢。混凝土的热膨胀系数为0.7×10^-5/℃，而钢材的热膨胀系数为1.2×10^-5/℃，钢材热膨胀系数是混凝土的1.7倍。由于钢材和混凝土温度及热膨胀系数不同，钢管和混凝土交界面会产生径向拉应力。

　　钢材和混凝土材料属性不同，混凝土在强度形成过程中，由于化学反应自身体积会产生较大收缩;而钢材自身较稳定，不会产生收缩现象。混凝土自身收缩会导致钢材和混凝土产生径向拉应力。

　　综上所述，在轴力、温度及混凝土自身收缩影响下，钢管和混凝土的交界面受力复杂，可能产生脱粘，下面对钢管和混凝土交界面受力进行分析。

　　3 钢管与混凝土脱粘判别公式

　　3.1 轴力作用下径向应变计算

　　钢管混凝土拱肋轴向长度远远大于横截面直径，根据弹性力学广义平面应变问题定义，可按平面应变问题分析钢管混凝土横断面的受力，建立受力模型，如图4所示。

　　根据弹性力学的平面应变问题计算方法，可推导出钢管内混凝土在轴力作用下径向应变计算公式如下:

　　

　　 

　　式中:ε_c^N为混凝土产生的径向应变;p为混凝土和钢管黏结应力;μ_c为混凝土泊松比，取0.2;E_c为混凝土弹性模量;δ_s^c为混凝土轴向应力。

　　

　　图4 钢管混凝土平面受力示意  

　　 

　　同样，可推导出钢管的径向应变计算公式如下:

　　

　　 

　　式中:ε_s^N为钢管产生的应变;μ_s为钢管泊松比，取0.3;δ_s^s为作用在钢管上的轴应力;a为钢管内径;b为钢管外径;E_s为钢管弹性模量。

　　3.2 温度作用下径向应变计算

　　温度会对钢管和混凝土交界面受力产生影响，按平面应变的计算假定，在温度作用下钢管和混凝土材料的应变计算公式如下:

　　

　　 

　　式中:ε^T为温度作用下材料产生的径向应变;Δt为材料温度增量;α为材料热膨胀系数。

　　3.3 收缩作用下径向应变计算

　　管内混凝土处于密闭环境中，混凝土的收缩主要由以下方面组成:塑性收缩、温度收缩、化学收缩及自收缩。根据文献[7]研究，混凝土收缩应变计算公式如下:

　　

　　 

　　式中:ε(t,t_s)为混凝土收缩产生的应变;β_s为收缩的时间发展系数;t为混凝土收缩龄期;t_s为混凝土进入收缩状态时间;ε_cs为混凝土的收缩系数。

　　3.4 钢管混凝土脱粘判别公式

　　在各种影响因素作用下，钢管和混凝土不出现脱粘，必须在两种材料交界面满足位移协调^[8]。由此可得到两种材料脱粘时，钢管的外径向变形值大于混凝土的外径向位移值与混凝土黏结极限变形值之和，据此可得到以下公式:

　　

　　 

　　式中:U^N_ca为轴力作用下混凝土产生的径向变形;U^T_ca为温度作用下混凝土产生的径向变形;U^S_ca为收缩徐变对混凝土产生的径向变形;δ_a为混凝土和钢管的黏结强度;E_c为混凝土弹性模量;U^N_sa为轴力作用下钢管产生的径向变形;U^T_sa为温度作用下钢管产生的径向变形。

　　将式(1)～式(4)代入式(5)，钢管和混凝土脱粘判别条件公式如下:

　　

　　 

　　4 工程实例分析

　　4.1 钢管和混凝土脱粘判定

　　某大桥在拱肋钢管出现异常响声后对拱肋温度、线形、应力进行数据采集，同时在各根弦杆上增加噪声和振动监测仪器，根据振动数据设定数据采集触发条件，通过数据综合采集仪进行实时采集。拱肋振动时测得的数据如表1所示。

　　  

　　表1 拱肋振动时温度和轴力数据 

　　 

　　 

　　

　　注:混凝土轴力增量是根据钢管应力增量按轴向位移协调计算得到

　　表1 拱肋振动时温度和轴力数据

　　根据前面的理论推导，将测量数据代入式(1)～式(4)可求得钢管和混凝土径向位移，计算结果如表2所示。

　　  

　　表2 钢管和混凝土径向变形 

　　 

　　 

　　mm

　　

　　表2 钢管和混凝土径向变形

　　对于钢管混凝土交界面脱粘问题，学者^[9,10,11]做了大量研究，在参考前人研究成果基础上，结合试验提出钢管和混凝土脱粘应力在0.2～0.4MPa;英国混凝土设计规范中规定钢管和混凝土黏结强度为0.4MPa;欧洲钢管混凝土设计规范规定钢管和混凝土黏结强度为0.55MPa。根据学者既有研究成果，考虑钢管混凝土拱桥施工过程中各种因素影响，取钢管混凝土黏结强度为0.4MPa。通过换算可得到，工程实例中钢管和混凝土位移差值达0.011mm，两种材料便会发生脱粘。

　　由表2可看出，钢管和混凝土的径向位移差值均>0.011mm，超过脱粘临界值，由理论计算可看出，拱肋在振动时钢管和混凝土发生脱粘。在收缩、轴力及温度3个影响因素中，温度对脱粘的影响最大。在管内混凝土灌注后的间歇期，轴力和收缩变化不大，主要是受到昼夜温差的影响。图3中钢管振动频率分布曲线呈抛物线状，和昼夜温度分布曲线趋势相同。在对钢管和混凝土脱粘分析的基础上，结合工程实测数据和结构振动频率曲线，可推测温度是影响钢管和混凝土脱粘的主要原因，而钢管和混凝土的脱粘导致拱肋出现异常振动。

　　4.2 钢管和混凝土脱粘检测

　　为证实上述理论推测，采用超声波检测仪对拱肋振动源截面进行测试。为了全面了解截面脱粘情况，采用4通道测试法，测试通道划分如图5所示。

　　

　　图5 钢管断面超声波检测通道划分  

　　 

　　超声波检测法原理是利用声波在不同介质传播速度不同进行判断，当钢管和混凝土之间出现间隙时，由于声波在空气中传播速度较慢，即可判断钢管和混凝土出现脱粘。既有研究和工程实践表明，钢管和混凝土未发生脱粘时，声波传播速度在4 500m/s以上;当钢管和混凝土出现脱粘时，声波传播速度在3 500m/s以下。

　　根据同一根钢管拱肋上拾振器接收振动信号的时间差，计算出振动源位置。选取3个振动源截面进行了超声波检测，检测结果如表3所示。

　　  

　　表3 拱肋振动后超声波检测结果 

　　 

　　 

　　(m·s^-1)

　　

　　表3 拱肋振动后超声波检测结果

　　由表3可看出，所有测试截面的3号测试通道的声速均在3 500m/s以下，由图5可看出，所有截面竖向发生脱粘;其他通道的部分测试声速<3 500m/s，说明截面其他方向部分发生脱粘。

　　由拾振器接收振动数据的时间差分析出拱肋的振动源位置，并对该位置进行脱粘监测，证实所有脱粘截面竖向发生脱粘，其他方向部分发生脱粘。

　　5 结语

　　1)拱肋的钢管和混凝土出现脱粘，是导致钢管灌注混凝土后出现振动和响声的原因。

　　2)在施工过程中温度、混凝土收缩及轴力都是影响钢管和混凝土脱粘的因素，其中温度是主要影响因素。

　　3)根据钢管和混凝土变形协调原则，提出拱肋钢管和混凝土脱粘的判别公式，并通过工程实践对判别公式进行了验证。