脱空对承载能力的影响及解决方案

对于钢管混凝土的脱空表现，在实验室中制备的试件与在实际桥梁结构是有所不同的。实验室内研究钢管混凝土短柱的工作性能时，制作的试件短，在灌注混凝土时，将钢管杆件竖直放置，并使用振捣器振动密实，养护时一般为竖直状态养护。所以在实验室内能够较好地确保钢管与混凝土结合密实，即使有脱空，其量值也较小。但是在实际工程中，钢管拱圈灌注的混凝土方量较大，钢管拱圈呈倾斜状态，且角度不同，为确保可灌性，往往要求是高流动性自密实混凝土；同时受到材料制备与施工工艺的影响，导致实际工程的钢管拱圈存在的脱空值较实验室更不可控制。正因如此，在进行钢管混凝土拱桥设计时，考虑管内混凝土收缩导致的钢管混凝土脱空现象对承载能力的影响是客观要求。

通过大量现场工程检测数据分析，钢管混凝土桥梁不同结构部位的脱空类型各不相同，各类脱空缺陷总结起来包括局部凹陷脱空、球冠型脱空、月牙球冠型脱空、半圆周边脱空和周边脱空等，如图2-56所示。而对于钢管混凝土拱桥的拱圈来说，脱空缺陷主要表现为球冠形脱空和月牙球冠形脱空。

图2-56　钢管混凝土各类脱空示意图

球冠型脱空构件的破坏过程总体上和无脱空构件较为接近，两者在达到峰值荷载前的弹性及弹塑性阶段，刚度十分接近，且达到峰值荷载前都未有明显破坏现象，超过峰值荷载后荷载下降，构件轴向变形增大，局部鼓区明显，整体挠度增大；均匀脱空构件的破坏过程则与无脱空构件有较大差别，其达到极限承载能力时，管内混凝土被压碎，荷载下降明显，随后管内压碎的混凝土和钢管内壁发生接触，在钢管对混凝土约束效应作用下，构件的荷载又缓慢回升。两类脱空构件的轴向荷载（N）-轴向位移（Δ）曲线如图2-57所示。

图2-57　脱空构件的轴向荷载（N）-轴向位移（Δ）曲线(www.xing528.com)

球冠型脱空对于钢管混凝土构件初始弹性抗弯刚度的影响较小，而对于构件割线刚度的影响则较为显著；在脱空率相同的情况下，均匀脱空对于钢管混凝土构件极限承载能力和刚度的影响较球冠型脱空更为显著。

钢管混凝土脱空率的大小对钢管混凝土极限承载能力的影响是不同的，其影响规律符合高次抛物线，当钢管混凝土脱空率小于0.6%时，其对钢管混凝土刚度和极限承载能力的影响是很小的，可以忽略不计；当钢管混凝土脱空率大于0.6%时，核心混凝土支撑钢管的作用减弱，对钢管混凝土承载能力和刚度影响较大。

《公路钢管混凝土拱桥设计规范》规定，钢管混凝土承载能力极限状态验算时，应计入钢管内混凝土脱空影响，脱空折减系数Kd取值0.95，并符合下列要求：

（1）当钢管混凝土球冠型脱空率大于0.6%，或脱空高度大于5 mm时，应对钢管内混凝土脱空缺陷进行修补灌注。

（2）钢管混凝土拱圈不得出现周边均匀型脱空的缺陷。

此外，钢管混凝土脱空对承载能力的影响，还与钢管混凝土的脱空率、脱空形式、套箍系数、钢管壁厚、混凝土强度、长细比等因素有关。