陳 曦

(四川高速公路建設(shè)開發(fā)總公司南充管理分公司，成都610041)

箱梁豎向溫度梯度荷載研究

陳 曦

(四川高速公路建設(shè)開發(fā)總公司南充管理分公司，成都610041)

由于混凝土材料導(dǎo)熱系數(shù)較小的性質(zhì)，使得混凝土結(jié)構(gòu)在瞬變的自然環(huán)境溫度場的作用下，結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成較大的溫度梯度荷載。而且我國各地氣候差異較大，處于不同地區(qū)環(huán)境下的橋梁結(jié)構(gòu)不能采用統(tǒng)一的溫度荷載來進行計算。本文對日照溫度荷載作用下混凝土箱梁橋中的溫度場日變化規(guī)律進行分析，得到及最大豎向升、降溫度梯度荷載分布形式并與各國現(xiàn)行規(guī)范進行對比分析。

1、引言

混凝土橋梁在太陽輻射和氣溫變化等外界環(huán)境因素作用下，結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度的變化存在明顯的滯后現(xiàn)象，導(dǎo)致每層混凝土所得到或擴散的熱量有較大的差異，形成非線性的溫度分布狀態(tài)。對于整體升降溫，橋梁計算中早有考慮而且計算簡單，但對于結(jié)構(gòu)中的日照溫度梯度荷載即溫度場在混凝土橋梁結(jié)構(gòu)中的空間分布形式盡管有較多的研究成果，但目前還沒有完全統(tǒng)一。而且我國各地氣候差異較大，處于不同地區(qū)環(huán)境下的橋梁結(jié)構(gòu)不能采用統(tǒng)一的溫度荷載來進行計算。所以對處于不同地域不同氣候條件下的室外大氣環(huán)境中混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的溫度場進行研究同時建立我國不同地區(qū)的溫度荷載模型是有必要的。本文主要研究在日照溫度荷載作用下混凝土箱梁溫度場在時間及空間上的變化規(guī)律，同時分析溫度場在此橋梁結(jié)構(gòu)中的空間分布曲線，然后與幾個國家相應(yīng)有關(guān)日照溫度梯度荷載的規(guī)范進行比較。

2、混凝土箱梁溫度場觀測

對橋梁的溫度場進行實地觀測，分析在日照作用下橋梁表面的溫度場隨時間有變化規(guī)律及表面溫度場的分布形式是一種可靠的分析方法。本文以現(xiàn)場實際橋梁模型為基礎(chǔ)，對其表面的溫度場進行長期觀測。觀測對象為究預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋。以此橋梁的四分跨截面為基準(zhǔn)進行分析截面內(nèi)外表面關(guān)鍵點特征溫度的季節(jié)變化及日變化規(guī)律來研究預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋內(nèi)外表面溫度場隨時間的變化規(guī)律及其在結(jié)構(gòu)中的空間分布規(guī)律。

3、混凝土箱梁溫度場日變化

橋梁結(jié)構(gòu)處在室外大氣中，長期經(jīng)受一種周期性的輻射作用。經(jīng)過一段時間后，其熱交換達到平衡。暴露于大氣中的結(jié)構(gòu)，在吸熱與放熱的綜合作用下，通常對于一個單位表面產(chǎn)生一個如下的熱流密度：太陽直接輻射，天空輻射，太陽輻射與天空輻射的反射，大氣逆輻射，地表環(huán)境輻射與逆輻射的反射，構(gòu)件的輻射，對流熱交換。

經(jīng)觀測在夏季箱外大氣溫度從日出時刻開始升溫，13：00溫度最高而后開始降溫，10：00～20：00室外大氣溫度高于室內(nèi)大氣溫度，而箱內(nèi)溫度日變化不大。箱梁截面外表面各點的溫度與箱梁室外的大氣溫度相關(guān)系數(shù)均值為 0.74，箱內(nèi)表面各點的溫度與室內(nèi)大氣溫度相關(guān)系數(shù)均值為 0.78。梁截面表面各點溫度變化相對于大氣溫度變化存在明顯的滯后現(xiàn)象，最高溫度大都出現(xiàn)在14：00～16：00。內(nèi)外表面溫度的差值變化也如同大氣溫度變化一樣，在 10：00～20：00箱梁外表面溫度略高于內(nèi)表面溫度。

經(jīng)觀測在冬季天氣晴朗，箱外大氣溫度從日出時刻開始升溫，14：00達到最高，而后開始降溫，10：00～20：00室外大氣溫度高于室內(nèi)大氣溫度，而箱內(nèi)溫度日變化不大。箱梁截面外表面各點的溫度與箱梁室外的大氣溫度相關(guān)系數(shù)均值為0.79，箱內(nèi)表面各點的溫度與箱室內(nèi)大氣溫度相關(guān)系數(shù)均值為0.51。但梁截面表面各點溫度變化相對于大氣溫度變化存在明顯的滯后現(xiàn)象，最高溫度大都出現(xiàn)在15：00～16：00。頂板內(nèi)外表面溫差變化與夏秋季節(jié)相似，但腹板、底板外表面溫度幾乎全天都略小于內(nèi)表面溫度。

4、混凝土箱梁豎向溫度梯度荷載

自20世紀(jì)60年代以來，國內(nèi)外都發(fā)生由于溫度應(yīng)力而導(dǎo)致混凝土橋梁嚴(yán)重裂損的事故。混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度場是確定溫度荷載的關(guān)鍵，分析溫度場的方法，一般有以下的三種：一是用熱傳導(dǎo)微分方法求解；二是采用近似數(shù)值求解；三是運用半理論半經(jīng)驗公式。本文在所測得的實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，確定橋梁豎向最不利的溫度荷載分布的曲線形式并與現(xiàn)有規(guī)范做以比較。

對混凝土箱梁的豎向升溫梯度荷載各國規(guī)范及現(xiàn)場實測結(jié)果對比得到以下結(jié)論。英國BS5400規(guī)范、美國AASHTO規(guī)范、中國公路橋涵設(shè)計規(guī)范所對溫度梯度荷載的規(guī)定為多段折線型，中國鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范及現(xiàn)場觀測結(jié)果顯示溫度梯度荷載為曲線型。溫度梯度荷載的標(biāo)準(zhǔn)值即溫度梯度荷載在頂板的取值美國AASHTO規(guī)范所規(guī)定最大，英國BS5400規(guī)范規(guī)定最小，現(xiàn)場觀測值與我國鐵路橋涵沒計規(guī)范所規(guī)定相近。現(xiàn)場觀測到的升溫溫度梯度荷載在頂板下降速率小于中國鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范，與我國公路橋涵設(shè)計規(guī)范、美國AASHTO規(guī)范相近。英國BS5400規(guī)范、美國AASHTO規(guī)范規(guī)定在底板有溫差荷載，中國鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范與中國公路橋涵設(shè)計規(guī)范規(guī)定在底板沒有溫差荷載，現(xiàn)場觀測結(jié)果顯示在底板有溫差荷載。

對混凝土箱梁的豎向降溫梯度荷載各國規(guī)范及現(xiàn)場實測結(jié)果對比得到如下結(jié)論。英國BS5400規(guī)范、美國AASHTO規(guī)范、中國公路橋涵設(shè)計規(guī)范對溫度梯度荷載規(guī)定為多段折線型，中國鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范、現(xiàn)場觀測溫度梯度荷載為曲線型。溫度梯度荷載的標(biāo)準(zhǔn)值即溫度梯度荷載在頂板的取值現(xiàn)場觀測結(jié)果最大，美國AASHTO規(guī)范規(guī)定最小?，F(xiàn)場觀測得出溫度梯度荷載曲線由頂板外表面向下至60cm上升最快后趨于穩(wěn)定，其上升速率比各國規(guī)范均小。英國BS5400規(guī)范、美國AASHTO規(guī)范規(guī)定底板有溫差荷載，中國鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范與中國公路橋涵設(shè)計規(guī)范在底板沒有溫差荷載的規(guī)定，現(xiàn)場觀測結(jié)果顯示在底板有溫差荷載。

5、結(jié)語

箱梁室外氣溫度在一日內(nèi)變化幅度比較大，箱梁室內(nèi)氣溫在一日內(nèi)變化幅度較小。地面溫度、箱梁外表面各點溫度與箱梁外大氣溫度存在很大相關(guān)性?；炷料淞簶虻娜照諟囟葓鋈兆兓c箱室外大氣溫度的日變化存在滯后現(xiàn)象。建議對于我國的公路橋梁的溫度梯度荷載選取曲線模型，溫差梯度荷載標(biāo)準(zhǔn)值的選取應(yīng)根據(jù)我國不同地區(qū)采用不同的取值，同時在底板應(yīng)考慮溫差荷載。

[1]TB 10002.3-2005.鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范.

[2] JTJ D60-2004.公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范.

[3]劉興法.混凝土橋梁的溫度分布[J].鐵道工程學(xué)報,1985,(1):107-111.

[4]凱爾別克 F.太陽輻射對橋梁結(jié)構(gòu)的影響,劉興法譯[M].北京：中國鐵道出版社，1981.

[5]葉見署,賈琳,錢培舒.混凝土箱梁溫度分布觀測與研究[J].東南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）,2002,32(5):788-793.

G322

B

1007-6344（2015）09-0065-01