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.docx

中国交通建设股份有限公司 科技研发项目立项申请书科技研发项目立项申请书 项目名称：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：申报单位：中交第四公路工程局有限公司 项目负责人：项目负责人：林新元林新元 项目经费：项目经费： 31310 0 万万 完成时间：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 一一、立项背景、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）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）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）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臵设臵横隔。 ”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 810 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 19j15.24mm 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：施工精度和拱肋位移所致。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：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；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XLC038型） ；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；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）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，切片的位臵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。足尺试验模型通常因体形较大、 加载条件要求较高、 试验费用较高而较少采用。缩尺试验关键在于处理好缩尺的比例与试验效果之间的矛盾，由于拱脚构造与受力复杂，一般外轮廓尺寸的缩尺比例不宜太小，通常在 1：21：4之间8。无论采用哪种试验方法，由于试验条件和费用的限制，试验工况不可能太多，同时测得的数据也受试验条件的影响。因此，目前常用的方法是进行少量的试验研究，来了解拱脚的受力一般规律，并以试验结果验证有限元模型的正确性。用验证的有限元模型进行大量的计算，并以有限元的计算结果作为结果设计分析的主要依据。 2）脱空问题研究现状）脱空问题研究现状 对于钢管混凝土脱空的原因，目前国内外研究得较少，且绝大部分文献均是进行一些定性的分析。 文献9研究了钢管混凝土中核心混凝土的收缩与膨胀特性，认为收缩中以核心混凝土的冷缩（温度下降造成的收缩）和徐变收缩为最主要的影响因素，混凝土是按弹性回伸机理进行补偿收缩的，提出使用延迟膨胀剂改善钢管混凝土受力的建议。文献10等人通过研究认为混凝土的收缩徐变是引起钢管混凝土脱空的重要原因，他们认为对于钢管混凝土而言，混凝土的收缩徐变对结构内力和应力重分布、拱轴线型、拱的稳定性产生较大的影响。文献11等人对影响钢管混凝土脱空的钢管混凝土轴压、钢管温度上升、核心混凝土温度下降等 3 种因素进行分析，根据钢管与核心混凝土间的粘结强度建立了临界条件，数值计算表明 3 种因素中核心混凝土温度下降最容易引起钢管混凝土脱空。文献1213通过研究表明钢管混凝土内气泡存在逃逸角和微气泡、 泌水汇集也是导致混凝土脱空的一个原因。归纳以上文献可知，造成钢管混凝土拱桥出现混凝土脱空现象的原因主要有以下几个方面：1、混凝土收缩与徐变；2、钢管混凝土拱肋的轴压作用；3、温差作用，钢管温度上升，核心混凝土温度下降；4、管内未排除的空气的影响。 由于钢管与混凝土的脱粘，钢管和混凝土分别受力，使得拱肋内力重分布，导致整个钢管混凝土拱受力模式产生了重大变化，从而使拱肋的极限承载力产生了下降。 西南交通大学的叶跃忠1415等人通过试验研究的方法得到了：1、破坏荷载与混凝土脱粘的关系；2、纵向变形与混凝土脱 粘关系；3、侧向挠度与混凝土脱粘的关系；4、弹性模量与混凝土脱粘的关系。指出：钢管混凝土柱内部混凝土与钢管壁发生脱粘时，柱体的承载能力会大幅度下降。脱粘使钢管混凝土变形出现不连续性，柱体纵向变形和侧向挠度明显增大。 文献1617指出了钢管内混凝土脱粘后， 钢管混凝土变形出现不连续性，荷载与纵向应变、荷载与柱中点挠度的关系类似于屈服的台阶状，且长细比较大时，挠度曲线出现不对称性，钢管和混凝土不能共同受力，导致偏心和失稳的加剧，这是承载力下降的主要原因。文献14通过有限元数值模拟，指出由混凝土收缩徐变产生的截面应力重分布是非常明显的。对于拱肋各控制截面而言，混凝土收缩徐变使钢与混凝土之间的内力与应力发生了明显改变。 文献18设计了 15 组受压柱模型，以模拟不同脱空程度对极限承载力的影响。试验结果显示：核心混凝土的脱空对钢管混凝土承载能力有极大的影响。脱空率大，则承载能力降低就多，当脱空率低于 0.0757%时基本上对构件的整体受力影响不大。但当脱空率大于 1.935%时，构件的承载能力降低达 20%以上。文献19采用通用有限元软件 ANSYS 对一实例钢管混凝土拱桥进行全桥有限元分析， 并模拟了哑铃型拱肋混凝土脱空的影响，计算结果表明：在桥宽一半位臵布载时，脱空率达到 20%时，极限承载力有显著降低，降低为 13.6%；在全桥面布臵荷载时， 全桥拱肋脱空率达到 15%以后， 全桥的极限承载能力就有显著降低，降低 10.7%。文献20基于钢管与核心混凝土界面完全脱粘的计算模型，采用弹簧单元和滑移单元对钢管与混凝土之间的粘结关系进行了模拟，并编制了相关程序。数值计算结果表明：对于单圆管拱肋， 完全脱粘对其极限承载力影响不大；而对于桁式拱肋，完全脱粘对拱肋面内极限承载力影响较大，但文献只考虑钢管混凝土完全脱空这样一种临界情况，与工程实际常有差距。综合分析以上文献可知，混凝土脱空会对钢管混凝土拱桥的极限承载力产生一定影响，但目前的研究尚不够深入。 尽管国内外已经制定出了有关钢管混凝土的设计规程，但是对于钢管混凝土的检测还没有统一的规范，钢管内混凝土的浇筑质量直接影响到钢管混凝土拱桥设计目标的实现。虽然核心混凝土的浇筑及其钢管结构的制造应分别符合现行混凝土设计规范和钢结构设计规范的有关规定及验收标准，但由于钢管混凝土中的混凝土被外围钢管所包覆，因此对于钢管内混凝土的浇筑质量的把握就存在一定的困难，一些工程事故的发生往往都是因为无法对浇筑质量的保证造成的。因此如何保证钢管混凝上管内混凝土的浇筑质量仍是一个需要解决的问题21。 对钢管混凝土拱桥浇筑质量检测使用的方法主要有钻芯取样法、超声波检测法、人工敲击法、光纤监测系统和表面波法等22。 (1)直接钻芯取样法钻芯法不仅能够直观的反映出钢管混凝土的浇筑质量，而且还能准确的验证混凝土强度是否满足要求。但是钻芯法在检测的时候也存在有一定的缺陷。由于钻心法对结构的构件会产生破坏，这样将会影响到结构构件的整体性能。而且钻心法在检测的时候检测的部位有局限性，不能反映整个结构的混凝土质量，因此容易以点代面造成误判或漏判，存在较大的盲区。鉴于钻心法的缺点在检测的过程中不宜用于大批量检测，但是我们可以用这种方法来对无损检测的结果进行验证。 (2)超声波检测法超声波检测钢管混凝土就是根据超声波在传播过程中声时、声幅、频率的相对变化，分析判断钢管混凝土的质量。对于钢管内部混凝土的均匀性和密实程度以及钢管壁与混凝土之间的胶结脱离的检测都可以运用超声波检测。超声波法也有一定的局限性，由于其采用逐点径向检测，不仅检测进度慢，而且容易造成漏检，而定量检测的精确性也有待于进一步提高。 (3)人工敲击法人工敲击法是一种比较粗糙的检测方法，完全凭技术人员的技术和经验，缺乏理论依据。在检测的过程中需要技术人员通过对钢管混凝土拱肋的敲击，然后根据经验来判断出缺陷位臵以及种类的方法。这种检测的方法对于判断缺陷的种类和判断的精度都存在着一定得误差。因此，它只能作为一种辅助检测手段23。 (4)光纤传感监测系统在三峡库区的巫山县巫峡长江大桥利用了光纤传感监测系统分布式光纤传感网络系统，有效的检测钢管内混凝土的脱空、缝隙损伤等缺陷。该系统具有大范围、连续监测能力，可用以检测混凝土内部有无裂缝，裂缝的条数、部位、宽度、开裂时间过程。及混凝土与钢管内壁粘结的情况，脱空的部位及发生发展的时间过程；该系统可以对拱肋进行定期和不定期地巡检，这样就可以掌握拱肋中混凝土结构脱空和裂缝发生发展的第一手真实资料。由于该系统通常是在混凝土浇注前预埋在钢管里的，因此不适用与已建成的钢管混凝土拱桥的检测。 (5)表面波法当在介质表面施加一冲击荷载时，会产生多种形式的波， 如 VonSchmidt 波、剪切波、表面波和膨胀波。其中表面波的峰值最大、并且能量衰减的最慢因此接收到的信号比较强。所以利用表面波进行检测的时候可以增大检测的范围，提高检测速度24。 在众多的检测方法中，无损检测方法不仅对于结构本身不产生破坏，而且既经济又适用。是以后检测的发展趋势。而现有的无损检测技术对钢管混凝上拱肋进行检测的时候，由于检测的精度不够高，所以在实际工程中需要多种检测方法结合应用，才能得到较为准确的结果。因此，如何提高无损检测方法的精度是无损检测急需解决的问题之一。 最近几年，随着钢管拱桥的发展，管内灌注高性能微膨胀混凝土，具有受压承载能力高，抗变形能力强等优点，可以提高钢管的承载能力，提高构件的稳定性， 发展前景十分广阔。 拱肋灌注混凝土施工过程是否顺利，以及成形后钢管内混凝土是否密实，都与拱肋里混凝土的特性密切相关，因此自密实微膨胀混凝土的配制与研究至关重要。 自从“高性能混凝土”概念于 1990 年被提出以后，它一直是混凝土界科技工作者研究的重点和热点，经过近十多年来的研究，取得了一些成果252627，但是由于受技术难度和经济性的限制，目前大多仍停留在理论研究和实验室阶段，缺乏对配合比设计、应用理论和工程技术的系统研究。国际混凝土联合会(FIP）与欧洲混凝土委员会(CEB）提出的在混凝土材料方面有待进一步深入研究的课题中，首要问题也是高性能混凝土配合比设计的优化问题。 所谓混凝土配合比设计，就是根据当地所选择的原材料，决定其满足使用要求的定量比例，同时要考虑经济因素。在满足技术经济要求的前提下，通过试验修正后确定其应用配合比。 配合比的基本原理和配制方法要遵照强度原则和耐久性原则，也就是认为水灰比对强度的影响很大，控制合适的水灰比及超细粉的掺量。例如水灰比小于 0.42，用水量一般不超过 175kg/3185kg/3。另外要选择合适的矿物质超细粉、外加剂和其掺加的数量。配合比的定量准则有绝对体积法和表观密度法。普通混凝土高性能化的设计方法，主要是考虑改善混凝土的内部结构，使耐久性提高，延长结构物的使用寿命。 近年来，国内外提出了多种高性能混凝土配比设计方法，主要有美国混凝土协会(ACI） 、法国路桥中心实验室(LCPC） 、MehtaPK 以及DomonePLJ 等提出的方法。 在美国混凝土协会(ACI） 211 委员会制订的 “使用粉煤灰和硅酸盐水泥的高强混凝土设计指南”中，指出了一种掺粉煤灰的高性能混凝土配合比设计和优化的方法28。此法适用于抗压强度在4183MPa 之间的普通容重非引气混凝土， 主要是采用一系列不同胶凝材料比例和用量进行试拌，从而得到最佳配合比。 法国路桥中心对高性能混凝土的研究是走在世界前沿上的，该配比设计方法的主要思想是:在模型材料上进行大量的实验， 即用胶结浆体进行流变试验，用砂浆进行力学试验。这样可避免用直接的方法优化高性能混凝土配比参数时所需进行的大量试配工作。 美国的 MehtaPK 提出的配比设计方法是一种半经验半试验性的方法，其基本要点是:（1）对适当的粗集料，为得到高的体积稳定性，胶结浆体与集料的体积分别占 35%和 65%为宜； （2）根据混凝土强度等级确定用水量； （3）混凝土的胶结料组成有 3 种选择:a.纯水泥；b.水泥+矿渣(或粉煤灰） ，体积比为 7525；c.水泥+粉煤灰+硅粉，体积比为 751510； （4）高效减水剂的掺量可取 1%； （5）混凝土的粗细集料体积比对强度等级 A可取 32，对强度等级 B-E 可适当增大。 英国的 DomonePLJ 等提出的方法基于最大密实度理论2930，该方法的主要步骤如下:（1）根据混凝土的 28d 强度与水胶比关系选择混凝土的水胶比； （2）选择高效减水剂的掺量； （3）利用专门设计的仪器量测不同砂率下集料颗粒堆积物的空隙含量，找到空隙率最小时的砂率； （4）试验研究集料堆积物的空隙含量与其表面积的综合效应；（5） 确定最优砂率。 高性能混凝土的配合比设计，目前处于研究和开发的阶段，没有一个共同的模式，大致来说有经验统计方法，正交试验设计方法、均匀试验设计方法和人工智能模拟系统的方法。这些方法从不同的研究角度，按照问题的不同情况，满足了指导生产、因素分析、性能研究等要求。在理论上，给定使用要求和材料性能的条件下，追求在尽可能少的试验中获得更多的信息，从而把握目的性。 资料表明，高性能混凝土的设计有一个一般公认的实现原则，那就是掺加高效减水剂、合适的水泥品种及用量、控制水灰比、优质的骨料和最 大粒径要求、粉煤灰和硅灰的最优掺量以及膨胀剂的选用与掺量等。但是自密实微膨胀混凝土配合比设计的优化问题，也就是进一步选择合适的组成材料和用量，以得到更佳的施工和易性、流动性、强度发展与耐久性，仍然是有待进一步解决的问题。 文献3132分别对于原材料如水泥、粉煤灰、石灰石粉、膨胀剂等不同配合比对应的微膨胀混凝土的特性进行了研究。得出一些影响自密实微膨胀混凝土性能的结论。实际上，粉煤灰、膨胀剂、和其他外加剂对膨胀率均有不同程度的影响，因此在设计中尽量多考虑各种影响因素，但困难的是建筑工程设计人员无法控制材料的应用33。工程中采用微膨胀混凝土技术在理论与实践结合方面还需深入探讨，使之更先进完善。本文即通过南河特大桥拱肋所需混凝土，室内试验和现场试配相结合，试验研究和工程应用相结合进行研究， 并充分研究混凝土的限制膨胀率、 限制干缩率、自由膨胀率、自生收缩率、自应力等变形性能，揭示自密实混凝土的变形规律，配制出工作性好、流动性大、坍落度经时损失小、缓凝保塑性能好、微膨胀自密实和高抗压强度的混凝土。 3）爆仓问题的研究现状）爆仓问题的研究现状 哑铃型钢管混凝土拱桥易发生爆仓位臵为腹腔位臵，参见下图。 图 6 腹腔易爆仓位臵 文献34提出在工程应用上， 为防治钢管混凝土拱肋在灌注腹箱混凝士时出现爆仓事故，常心的做法是采用对拉杆和型钢加劲，以改善腹板的受力；灌注顺序定为下钢-上钢管-腹箱，以避免空钢管局部受压；腹箱内混凝土分仓灌注，以减小腹箱内混凝土的流体压力。 参考文献：参考文献： 1 涂光亚,颜东煌，邵旭东.脱黏对桁架式钢管混凝土拱桥受力性能的影响J.中国公路学报，2007,11（6）：61-66 2 Ammann O H.George Washington Bridge :general conception and development of designJ.Trans A S C.1933， 9(7)：5662. 3 沈华春.吊桥设计技术M.北京:人民交通出版社,1995.12. 4 Chen B C. 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Journal of Structure Engineering-ASCE. 1999， 125（5）: 477-484. 17 熊红霞，刘志宏. 基于 ANSYS 的钢管混凝土拱桥收缩徐变分析J. 桂林电子工业学院学报. 2004（05）. 18 杨世聪，王福敏，渠平. 核心混凝土脱空对钢管混凝土构件力学性能的影响J. 重庆交通大学学报（自然科学版）. 2008（3）: 360-365. 19 孙庆新，杨冬波. 基于 ANSYS 的脱空钢管混凝土拱桥极限承载力分析J. 华中科技大学学报（城市科学版）. 2009（02）: 47-51. 20 涂光亚. 脱空对钢管混凝土拱桥受力性能影响研究 博士学位论文D. 长沙: 湖南大学， 2007. 21 韩林海，陶忠，刘威.钢管混凝土结构理论与实践.福州大学学报J，2001，29(6):24-34. 22 KowlesB ， Park.Axialloaddesignforconcretefilledsteeltubes.JournaloftheStructure Division ， 1970.10. No. ST10. 23 李国成等.钢管混凝土完整性检测研究.华中科技大学学报J，2003，20(4):28-30. 24 刘福生，张彬.浅谈钢管混凝土拱桥及质量检测的研究现状J. 黑龙江交通科技，2008，12. 25 路桥集团第一公路工程局. 公路桥涵施工技术规范（JTJ041-2000）S.人民交通出版社,2000. 26 交通部公路规划设计院. 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTJ023-85）S.人民交通出版社,1985. 27 叶见曙主编. 结构设计原理M.北京:人民交通出版社,1997. 28 马保国,何永佳,吕林女. 高性能混凝土配合比设计J,武汉理工大学学报,24(7). 29 张敏. 计算预应力筋摩擦损失和锚固损失的等效荷载法J.有色冶金设计与研究,1996. 30 懂荣杰,傅曼丽. 预应力张拉测试中的摩阻系数比值法J.四川建筑科学研究,1997,(03). 31 孙潮,陈宝春,谢云举等. 徐州京杭运河特大桥竖转受力分析J.福州大学学报（自然科学版）. 32 胡玉山,杨嘉璞. 大跨拱桥转体施工工艺研究陪陵乌江大桥转体施工C.中国公路学会桥梁和结构工程学会 1991 年桥梁学术讨论会论文集,1991. 33 王宗昌. 微膨胀混凝土应用问题思考J.中国建筑防水, 98(6):21-22. 34 陈宝春. 钢管混凝土拱桥施工问题研究J. 桥梁建设. 2002， (3). 三、项目研发的主要内容及技术经济指标三、项目研发的主要内容及技术经济指标 1、主要研究内容、主要研究内容 本项目以石门水库特大桥为工程背景，在施工阶段期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。研究内容如下： 1）拱座开裂风险评估及防裂对策）拱座开裂风险评估及防裂对策 考虑拱座在施工期的应力、变形动态变化特征，进行拱座开裂风险评估。依据风险评估结果，提出工程防裂对策。 2）混凝土浇注过程风险控制）混凝土浇注过程风险控制 (1)管内混凝土脱空机理、检测及防治 （a）脱空机理研究 针对不同的脱空类型对脱空机理进行深入研究，重点分析核心混凝土自身的质量、管内法兰盘和加劲环的构造、施工工艺、轴向荷载、温度荷载及核心混凝土收缩徐变作用的影响。 （b）脱空检测技术 首先基于超声波在钢管混凝土中的传播规律，研究超声波在不同缺陷中超声波的传播路径及声时。在定性检测的基础上，提出脱空现象的定量 计算公式；拟通过模型试验、缩尺试验以及工程实例验证上述方法的可行性和准确性，为石门水库钢管混凝土拱桥的检测提供基础。 （c）脱空防治措施 对于钢管混凝土桁拱, 申请者认为如果能在节点处设臵内栓钉, 以保证节点处弦杆管内混凝土与钢管的联结, 则其他截面处的脱粘影响对结构受力的影响将很小, 同时内栓钉将使腹杆与弦杆之间的传力从钢管传至管内混凝土, 有助于提高桁肋的整体受力行为。实际上, 日本的新西海桥就采用了内栓钉的构造。近期进行的试验研究表明, 内栓钉还能提高节点的极限承载力。关于内栓钉的构造还有待进一步的深入。可以推断：钢管混凝土桁拱在节点处设臵内栓钉后, 即使其他截面脱粘其受力性能与无内栓钉但粘结良好的桁拱受力相近。 图 7 日本新西海桥 该部分拟开展以下研究：自应力混凝土的膨胀对防脱空性能的影响；内法兰构造对防脱空性能的影响；管内设臵少了剪力键构造对防脱空性能的影响。 （2）混凝土浇注过程防爆仓研究）混凝土浇注过程防爆仓研究 在钢管混凝土拱桥空钢管架设、拱肋混凝土灌注过程中对结构的稳定性进行分析，避免出现“爆仓”灾害，优化施工工序，保障结构的安全。 3）吊杆的预防性养护措施）吊杆的预防性养护措施 从已有大量服役钢管混凝土拱桥的病害调查结果看，目前我国的钢管混凝土拱桥或多或少均存在吊杆病害。从病害发生的部位来看，吊杆下部的端部位臵易发生断裂等病害。因此本课题拟针对该病害开展以下研究： (1)吊杆原设计采用钢绞线的方案，可考虑采用高强平行钢丝的材质。 (2) 吊杆与主梁交界处的防水构造设计研究。 4）立柱底部节点位臵的质量控制）立柱底部节点位臵的质量控制 目前设计方案为：采用纵向的 N2 及 N3 钢板与钢管及腹腔顶部钢板焊接的方式,主要考虑有以下两点： (1)考虑到腹腔位臵为受力薄弱位臵， 应使得两个钢管承受主要的荷载。 (2)同时还需要考虑的是，由于立柱在倾斜的钢管上布臵，仅靠纵向的N2 及 N3 钢板焊缝来承受斜向的剪力稍显不足，可考虑在 N4 钢板表面增加剪力键的构造设计来增强节点位臵的整体受力安全性能。 图 8 立柱与钢管的连接构造 根据以上两个问题，将有针对性的开展现场测试及空间精细化数值模型分析，保证节点位臵的受力安全。重点开展以下研究： (1)立柱竖向受力性能优化 (2)立柱与钢管斜向抗滑移能力研究 拟通过构造设计研究增强立柱与钢管的抗滑移性能。 2、技术经济指标、技术经济指标 大跨度钢管混凝土拱桥施工期质量控制的技术经济指标包括：大跨度钢管混凝土拱桥施工期质量控制的技术经济指标包括： 1）拱座开裂风险评估及防裂对策：延长使用寿命 5 年以上，合格率100%，经济效益 20 万元以上。 2）混凝土浇注过程风险控制：该项技术研究保持省部级先进，解决或者控制钢管混凝土脱空问题。 3）防爆仓技术研究：施工期减少经济损失 10 万元以上。 4）吊杆的预防性养护措施：延长吊杆寿命 2 年以上，减少经济损失 20 万元以上。 5）立柱底部节点位臵的质量控制：进行钢筋混凝土与钢结构粘结问题研究，增强立柱与钢管的抗滑移性能，增加结构设计稳定性。 本课题的研究成果能有效降低石门水库大桥施工期的病害产生风险，降低病害治理导致的额外施工投入，具有明显的经济效益。 成果提供形式成果提供形式 1）子课题报告 2）课题总报告 3）课题鉴定所需资料 4）发表 3-4 篇高水平学术论文 5）争取专利 1 项 6）在陕西省交通厅进行课题鉴定 四、项目研发的技术路线（四、项目研发的技术路线（补充文字性的技术路线描