張 玉，盧鑫宇，梁壯壯，趙 敏，趙 銳

（新疆大學(xué) 建筑工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊830047）

置于外界環(huán)境中的橋梁等大跨結(jié)構(gòu)受到外界的影響而產(chǎn)生溫度效應(yīng)，通常難以計(jì)算而簡化考慮。然而現(xiàn)實(shí)生活中許多橋梁事故都被證實(shí)與溫度效應(yīng)考慮不周有關(guān)。由于大跨結(jié)構(gòu)施工周期長，受溫度的影響比較大，在我們的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，烏魯木齊的晝夜溫差最高可達(dá)20℃。因此溫度在施工過程中產(chǎn)生的溫差應(yīng)力，變形及穩(wěn)定性的影響不可忽視。研究大跨結(jié)構(gòu)溫度對應(yīng)力與變形的影響也就十分重要。本文結(jié)合烏魯木齊新客站的站房及雨棚的調(diào)查數(shù)據(jù)分析，從而得到大跨結(jié)構(gòu)中，溫度對應(yīng)力和應(yīng)變的影響。

1 溫度效應(yīng)的發(fā)展歷程

從19世紀(jì)50年代開始，人們就開始認(rèn)識到了溫度效應(yīng)對應(yīng)力的影響。許多大跨結(jié)構(gòu)的裂縫和破壞都是由溫度應(yīng)力引起的。德國Jagst厚腹板箱梁橋通車第五年就發(fā)現(xiàn)了嚴(yán)重的裂縫，經(jīng)過估算，溫度拉應(yīng)力居然高達(dá)2.6MPa；湖北光化大橋1980年5月修建完成，1984年調(diào)查發(fā)現(xiàn)箱梁底面有明顯的縱向裂，其頂板的溫度拉應(yīng)力高達(dá)2.7MPa。Fritz.Leonhardt在對德國幾座預(yù)應(yīng)力混凝土箱形梁橋發(fā)生嚴(yán)重裂縫的情況進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)觀測和理論研究后提出:箱形梁橋和肋板梁橋表面和下緣之間，溫差可高達(dá)27～33℃；預(yù)應(yīng)力混凝土箱型橋梁大都因?yàn)闇夭顟?yīng)力而損害。隨著科技的發(fā)展，越來越多的大跨結(jié)構(gòu)走進(jìn)了我們的生活，因此，對溫度應(yīng)力的研究也越來越受到了人們的重視。

2 溫度應(yīng)力的影響因數(shù)

由于混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)較小，在外界環(huán)境溫度急變的情況下，內(nèi)部溫度具有明顯的滯后性。因而導(dǎo)致混凝土內(nèi)外的溫度具有明顯的差異。影響混凝土內(nèi)外溫差的因數(shù)可分為兩部分:即內(nèi)部因數(shù)和外部因數(shù)，外部因數(shù)主要有太陽輻射，晝夜降溫，寒流等引起的溫度變化；內(nèi)部因數(shù)主要是由于導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容等引起的。一般而言，混凝土的骨料對導(dǎo)熱系數(shù)的影響比較大。一般骨料的混凝土導(dǎo)熱系數(shù)約為1.8～3.5W（m·s·℃）。而采用輕質(zhì)骨料的導(dǎo)熱系數(shù)大約為1.3W（m·s·℃）。由于骨料在集料中所占的比重較大，因此混凝土的比熱容受骨料的影響比較明顯，普通骨料混凝土的比熱容一般不低于800J／（kg·℃），不超過1 200J／（kg·℃），大約為輕質(zhì)骨料的1.5倍。

3 溫度對應(yīng)變的影響

為了探究溫度對應(yīng)變的影響，我們對烏魯木齊新客站的站房及雨棚進(jìn)行了實(shí)際調(diào)查，站房模型圖如圖1所示。圖2為①區(qū)的監(jiān)測布置圖，其中監(jiān)測點(diǎn)上弦桿3個(gè)，腹桿4個(gè)，下弦桿5個(gè)；圖3是①區(qū)的的網(wǎng)架變形圖；圖4是①區(qū)的溫度時(shí)間曲線圖；圖5是①區(qū)應(yīng)力變化曲線圖。

圖1 站房模型

圖2 ①區(qū)的監(jiān)測布置

由圖3～圖7，可以，看出以下現(xiàn)象:

1）在7月5日—8月9日這段期間內(nèi)，我們由圖1可以看出變形量的最大值為80mm，變形量的最大差值為50mm。

2）根據(jù)圖4，可以看出最高溫度為42℃，最低氣溫為15℃，最大溫差為27℃。

圖3 ①區(qū)網(wǎng)架變形曲線

圖4 ①區(qū)上弦溫度時(shí)間曲線

圖5 ①區(qū)上弦應(yīng)力變化曲線

圖6 12區(qū)腹桿應(yīng)力時(shí)間曲線

圖7 12區(qū)腹桿溫度時(shí)間曲線圖

3）將圖3和圖4對比分析，不難看出變形量是隨溫度變化的，但是變化不存在線性關(guān)系。

4）由圖5可以看出最大應(yīng)力為150MPa，出現(xiàn)在7月29日，最小－60MPa。

5）由圖5和圖4可以看出，溫度與應(yīng)力的關(guān)系不是線性相關(guān)。

6）我們選取圖中7月9—11日這段時(shí)間，從圖3中變形的情況可以看出，變形量是在增大的，變形量為20mm，圖4中，溫度顯示，從23℃下降到19℃，溫度變化量為4℃，從圖5可以看出應(yīng)力的變化量為8MPa。

7）選擇8月4—8日這段時(shí)間，由圖3可以看出變形量為28mm，溫度變化了5℃，應(yīng)力值變化了20MPa。

8）在看圖6，12區(qū)腹桿應(yīng)力時(shí)間曲線圖，10月18日的溫度最低，為18℃，溫度最高為10月19日，溫度為30℃，10月16—19日的溫差極大值為12℃。

9）在圖6中，我們可以看出4點(diǎn)應(yīng)力變化情況，1日點(diǎn)的應(yīng)力變化幅度較小，變化幅度都在8 MPa以內(nèi)，2日點(diǎn)的應(yīng)力一直都在變大，最高為40 MPa，3日點(diǎn)的應(yīng)力也在變大，最高為10月19日，為43MPa，4日點(diǎn)最高也在10月19日。我們可以看出在10月19日以前，應(yīng)力變化都較為明顯，10月19日以后，應(yīng)力變化都趨于平坦。

10）將圖6和圖7對照，不難看出1日點(diǎn)的溫度和應(yīng)力變化都趨于平緩，經(jīng)過調(diào)查，知道1日點(diǎn)位于陰面，溫度變化不明顯。

11）通過分析可知，溫差應(yīng)力不是線性相關(guān)的。

4 溫差應(yīng)力的特點(diǎn)

結(jié)合上面的理論分析以及我們采集的數(shù)據(jù)，從而很容易得出大跨結(jié)構(gòu)溫差應(yīng)力的特點(diǎn)，總結(jié)如下:

1）溫差應(yīng)力是由于溫度變化引起的，因此它與荷載應(yīng)力不同，荷載應(yīng)力滿足胡克定律，而溫差應(yīng)力不滿足胡克定律，隨著溫差的變化，它會(huì)出現(xiàn)應(yīng)變增大，而應(yīng)力減小的情況。與一般的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系大不相同。

2）由于結(jié)構(gòu)中的溫度場不是隨著壁厚呈線性分布的，因而結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力分布不是線性分布。具有非常明顯的非線性特性。

3）結(jié)構(gòu)中的溫度具有瞬時(shí)性，因此它的溫度是每時(shí)每刻變化的，而溫差應(yīng)力是溫度變化所引起的，因此結(jié)構(gòu)中的溫差應(yīng)力也具有瞬時(shí)性，也是每時(shí)每刻隨溫度的變化而變化的。

5 采取的措施

隨著材料與科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，無論是在房屋建筑，還是城市橋梁，大跨結(jié)構(gòu)在我們以后的生活中，應(yīng)用越來越廣泛。然而，由于其溫度荷載效應(yīng)的影響，往往容易影響大跨結(jié)構(gòu)的使用性能以及使用壽命。因而對其溫度荷載的影響不容忽視，所以必須從防和控兩個(gè)方面來采取措施避免溫度效應(yīng)帶來的安全問題以及精度的控制問題。

1）對關(guān)鍵截面的的溫度場進(jìn)行測試時(shí)，盡可能選取多個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測試，從而保障測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。得到的數(shù)據(jù)，要及時(shí)進(jìn)行處理，對應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算時(shí)，要考慮溫度的影響，從而保障結(jié)構(gòu)施工精度的要求。

2）對于特殊的截面，還應(yīng)進(jìn)行必要的應(yīng)力測試，時(shí)刻了解施工過程中所發(fā)生的情況，便于及時(shí)了解，及時(shí)分析，及時(shí)處理。從而保障施工的安全性。

3）對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行合理分析，做到不偏不漏，使預(yù)警更符合實(shí)際情況。

4）此外，在安裝時(shí)，還應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測，隨時(shí)查看各部件的溫度，應(yīng)力以及應(yīng)變的變化情況，以便做好防護(hù)措施。

5）在安裝好以后，還應(yīng)做好監(jiān)測措施，加強(qiáng)平時(shí)的監(jiān)測，避免在使用時(shí)，因?yàn)闇夭钸^大，而產(chǎn)生較大的溫差應(yīng)力，使得結(jié)構(gòu)過早的產(chǎn)生破壞。

6）同時(shí)，還可以在材料上加強(qiáng)研究，盡量研究出一些價(jià)格上便宜，強(qiáng)度上優(yōu)良，感溫性能較差的材料。

6 結(jié)束語

基于前期的研究，為了使得大跨結(jié)構(gòu)在我們的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中得到推廣，那么我們就需要更好地克服大跨結(jié)構(gòu)溫差應(yīng)力的這些缺點(diǎn)，對于這些缺點(diǎn)，我們目前提出的建議是，在設(shè)計(jì)上，合理的預(yù)測:在施工上，進(jìn)行嚴(yán)格的控制；在材料上，應(yīng)用感溫性能較差的材料；在使用上，加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)與監(jiān)測。對于這些，我們目前主要進(jìn)行了智能監(jiān)測系統(tǒng)的研究，想通過智能監(jiān)測系統(tǒng)，來更好地控制結(jié)構(gòu)各個(gè)部位溫度與應(yīng)力應(yīng)變的變化。通過我們在設(shè)計(jì)上的合理預(yù)測與計(jì)算以及在施工上進(jìn)行嚴(yán)格地控制，以及采取良好的智能監(jiān)測系統(tǒng)，相信在不久的將來，溫度應(yīng)力將不會(huì)是限制大跨結(jié)構(gòu)應(yīng)用的障礙，大跨結(jié)構(gòu)會(huì)在我們以后的生活中，更好地服務(wù)于我們。

［1］ 宋勝錄.高墩大跨連續(xù)剛結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)研究［D］.長沙:湖南大學(xué)，2008.

［2］ 張運(yùn)波.薄壁空心高墩的溫度效應(yīng)及其對穩(wěn)定性影響的研究［D］.北京:中國鐵道科學(xué)研究院，2010.

［3］ 范立礎(chǔ).預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［4］ 劉來君.張宏光.溫度應(yīng)力引起的預(yù)應(yīng)力混凝土箱型梁開裂分析［J］.西安公路交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，19（4）:39－41.