钢管混凝土拱桥拱肋密实度缺陷诊断及加固修复技术

程浩 中交二航局建筑科技有限公司

1.钢管混凝土拱肋概述

钢管混凝土拱肋是拱桥中的常见结构形式，基本结构是钢管内填混凝土，此方式可有效维持钢管管壁的稳定性，提高结构的承载性能。钢管通常以型材或钢板卷制焊接的方法设置成型，管内浇筑C30至C60强度等级的混凝土。通常，混凝土拌和时掺入适量的膨胀剂，以保证填充至钢管内的混凝土有足够的密实性，避免混凝土出现收缩现象。但膨胀剂用量的控制较为微妙，若偏少，混凝土往往有较为明显的收缩现象，钢管内混凝土的密实度欠佳，容易出现缺陷；若偏多，混凝土异常膨胀，可能由于较强的膨胀作用而导致钢管结构受损。因此，需灵活控制膨胀剂的使用量。

在保证混凝土和钢管的质量均无误后，泵送顶升浇灌混凝土，但施工期间可能出现混凝土密实度不足的问题，导致成型的钢管混凝土拱肋存在缺陷，无法正常使用。为此，以科学的方法做好钢管混凝土拱肋密实度的诊断工作具有必要性，若确实存在密实度缺陷，则及时处理，直至钢管混凝土拱肋有足够的密实性为止。

2.项目概况

龙潭河特大桥位于宜昌市秭归县S334武大线，其中心桩号为K472+192。全桥孔跨布置为(20+20+208+20)m，其中主跨为208m中承式钢管混凝土无铰拱，边跨为3孔20m钢筋混凝土简支T梁，全桥桥面连续，在梁端与桥台接缝处设置伸缩缝。该桥于2000年建成通车。

3.钢管混凝土拱肋质量诊断的常见方法

3.1 人工敲击法

人工敲击法主要以钢管混凝土拱肋被敲击后产生的回响进行质量判断，明确混凝土是否与钢管脱落。人工敲击法的操作具有便捷性，主要依靠检测人员的经验进行判断，但缺乏扎实的理论基础，属于粗放化的检测方法，难以准确地判断缺陷的类型。由于人工敲击法的局限性，不宜将其作为钢管混凝土拱肋缺陷诊断的关键方法，仅能够作为辅助手段。例如，先以人工敲击的方法初步确定质量缺陷的部位，再采取其它高精度的方法，精准锁定缺陷部位，判断缺陷的类型。

3.2 超声波检测法

在钢管混凝土的缺陷诊断中采用超声波检测法时，该结构在有无缺陷时对应的声时、波幅、相位等参数均不尽相同(见图1)，因此可根据此类参数判断是否存在缺陷。

图1 超声波在无缺陷钢管混凝土中传播示意图

在应用超声波检测法时，需满足如下基本前提：相比于超声波在钢管壁绕射的声时值（见图2），超声波通过混凝土的声时值应更小。若不具备此条件，超声波首波无法穿过混凝土，此时探头接收到的仅是沿钢管壁传递的超声波，自然无法判断钢管混凝土的内部缺陷。

图2 超声波沿钢管壁传播示意图

在钢管混凝土无缺陷时，具有如下关系：

式中：T-超声波直接透射穿过钢管混凝土的时间（s）；V-超声波透射穿过钢管混凝土的速度（m/s）；T-超声波沿钢管壁绕射的时间（s）；V-超声波沿钢管壁绕射的速度（m/s）。

值得说明的是，钢管壁厚相较于钢管内径明显偏小，为了便于分析，可直接省去钢管壁的厚度，此时混凝土路径等同于钢管外径。

4.钢管混凝土拱肋密实度缺陷的诊断

在本工程的钢管混凝土拱肋密实度缺陷诊断中，联合应用到便捷性较好的敲击法和准确度较高的超声波法。先以敲击法检测拱肋，确定回声异常的部位，再用超声法针对此类部位以及关键区域进行检测，具体的检测数据如表1所示。

表1 钢管混凝土拱肋密实度缺陷诊断结果

在关键截面的检测中，局部的声速值存在异常，例如：4根主拱肋拱顶和2/8L截面（L为桥梁计算跨度）的声速值偏低，认为该处有混凝土脱粘的情况；4/8L截面处也有异常，主要表现为混凝土沿截面拱顶向两侧脱粘。究其原因，与混凝土龄期的增加有关，此时混凝土呈现出收缩变化，与钢管壁的粘附性下降。不仅于此，钢管侧面、钢管与立柱交接处等多个部位也有不同程度的脱粘。

5.静载试验

静力加载试验中，采用汽-超20级荷载，测试部位包含拱肋的跨中截面、L/8截面、L/4 截面、3L/8截面、拱脚截面，分别测试此类部位在加载时的应力、变形量，系统性地判断结构在荷载作用下的具体状态。

拱肋拱脚截面测点的应力校验系数为0.81～1.15，认为拱脚截面的强度偏弱；L/4 截面的该值在0.78～1.00，截面强度相对较高，基本可以达到要求。跨中截面在最大弯矩加载工况时的应力校验系数为1.80～3.28，判断跨中拱肋截面强度不足，无法达到要求。从各测点的残余应变率来看，该值均在20%以内，在整个加载期间，应力呈线性变化，即便试验检测结果显示该截面的应力校验系数较大，但结构仍维持弹性工作状态。各工况下，拱肋的竖向位移校验系数为0.53～1.00，顺桥向变形校验系数最大为0.83，在各级荷载作用下，拱肋均呈弹性变形状态。卸载后，残余变形值减小，桥梁的结构竖向静力刚度达到要求，总体来看，跨中拱顶截面应力校验系数偏大，此数据揭示的现象是钢管和混凝土有较为明显的脱黏，有必要采取加固维修措施，保证钢管混凝土的密实度。

6.钢管混凝土拱肋密实度缺陷的加固修复技术

6.1 基本思路

经过密实度缺陷诊断后，确定缺陷的分布范围，以负压辅助注浆的方法做加固处理。先抽走混凝土孔洞部位的空气，使该处保持负压，再向其中灌注胶液。拱肋密实度缺陷的处理按照由拱脚到拱顶的顺序依次进行，最终确保拱肋缺陷部位有足够的密实性。

6.2 准备工作

结合检测结果，进一步精准确定缝隙的位置和宽度；根据局部密实度不足的情况，合理规划钻孔位置，控制钻孔的数量；准备加固修复所需的材料和机具，检验材料的质量和机具的性能，要求各自均无异常。

6.3 压浆管道的预埋

在待加固构件上画出网格，网格间距以80cm为宜，具体根据构件的尺寸、密实度缺陷实际情况等方面做合理的调整。

以网格位置为准，按6mm的孔径要求钻孔，在不影响钻孔注浆加固效果的前提下，尽可能减小孔径，以免拱肋遭到严重的破坏。不密实范围内，钻孔距离底部边缘5cm，靠拱脚向为注浆孔，靠拱顶向为排气孔，相邻两孔视为一组，每组间隔控制在10cm。孔距无明确的限定，主要根据脱空部位和压浆试验结果而定。在合适孔位钻孔后，判断成孔尺寸是否满足要求，若合理则在孔位处配套注浆嘴。

6.4 基础设施的检查

注浆嘴安装结束且经过1d后，做详细的检查，判断连通性和密封性。具体考虑如下几点：

（1）空压机连接一根注浆嘴，在连接部位涂抹肥皂水，启用空压机，加强对连接部位的观察，根据是否有气泡判断连接的严密程度。

（2）真空泵与一个注浆嘴相连，关闭剩余的注浆嘴，运行真空泵，待加固部位产生负压且达到要求后（-0.09MPa），关闭阀门，安排1min的压力观测，若此阶段的压力变化量在0.01MPa以内，表明连接的严密性较好，否则需进一步处理。

（3）裂隙处存在粉尘，用高压气吹洗干净，保证孔洞裂隙干净、畅通。

6.5 负压辅助注浆

（1）为压浆口和出浆口连接部位配套密封阀门，压浆泵连接在压浆端，真空泵连接在出浆端，将负压容器、三相阀门和锚具盖串联。

（2）真空泵运行10min后，观测压力是否达到负压力0.1～0.3MPa，若合理则继续压浆，否则表明装置密封性不足，需有效处理。

（3）真空泵运转期间，向压浆口压浆，低速搅拌储浆桶内的浆材，保证均匀性。为有效保证钢管混凝土拱肋加固修复效果，需制备渗透性较好的环氧类浆液。浆液随拌随用，拌和完成至压入管道的间隔时间不可超过10min。为有效地将浆液注入混凝土密实度不足的部位，需提供足够的压力（以0.8～1.2MPa为宜），注浆后稳压30s左右，确保浆液能够有效填充细小裂隙。

（4）压浆泵暂停运行时，输浆嘴不可与压浆口脱开，否则将有空气进入其中，随之影响压浆的密实性。经过注浆后，若吹浆孔流出浓浆，随即关闭阀门，稳压30s，再关闭进浆口阀门。

（5）通过对阀门的控制，有效隔离真空泵和灌浆料。

（6）关闭真空泵和压浆泵出浆部位的阀门，而后再将压浆泵关闭。

（7）每完成一次灌浆后，随即清理搅拌机和灌浆泵等设施，避免由于浆液固结在设备中而影响到后续的灌浆施工。

（8）浆液自然固化后，切除注浆管，以补焊封固的方法处理钻孔，使该部分恢复完整。而后，全面清理拱肋表面附着的杂物。

7.结语

综上所述，在拱桥钢管混凝土拱肋的质量控制中，密实度缺陷检测属于重要的工作内容，加强检测与诊断后，可及时发现拱肋密实度不足的部位，以注浆加固的方法进行处理，使拱肋恢复密实状态。经过本文的分析，提出人工敲击法、超声透射法两种钢管混凝土拱肋密实度缺陷检测方法，再探讨具体的检测作业要点和加固修复技术要点，希望对类似工程有参考价值。