周記國,　鐘新谷,　王桂花,　薛曉鋒

(1.白城師范學(xué)院 土木工程學(xué)院,吉林 白城　137000; 2.湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,湖南 湘潭　411201; 3.長安大學(xué) 公路學(xué)院,陜西 西安　710064)

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日照作用下混凝土箱梁豎向溫度梯度場研究

周記國1,鐘新谷2,王桂花1,薛曉鋒3

(1.白城師范學(xué)院 土木工程學(xué)院,吉林 白城137000; 2.湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,湖南 湘潭411201; 3.長安大學(xué) 公路學(xué)院,陜西 西安710064)

摘要:文章以混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋為研究對象,應(yīng)用熱成像儀實(shí)地觀測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,并分析其最大豎向升、降溫溫度梯度荷載分布形式及大小;采用ANSYS軟件數(shù)值模擬分析溫度梯度荷載在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的效應(yīng),同時與現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行分析對比。分析結(jié)果表明:日照溫度荷載在混凝土箱梁橋中產(chǎn)生的豎向升、降溫溫度梯度場呈曲線型分布,并在箱梁的底板存在溫差現(xiàn)象;溫度溫梯度荷載在混凝土箱梁的腹板、底板中均有應(yīng)力產(chǎn)生;觀測分析所得的溫度梯度荷載與現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的溫度梯度荷載在結(jié)構(gòu)中的分布形式、數(shù)值大小及其在橋梁中產(chǎn)生的效應(yīng)方面差異較大。

關(guān)鍵詞:混凝土箱形梁;日照溫度荷載;溫度場測試;溫度梯度;溫度效應(yīng)

由于混凝土材料導(dǎo)熱系數(shù)較小,使得混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部在瞬變的自然環(huán)境溫度場作用下形成較大的溫度梯度荷載。對于混凝土連續(xù)剛構(gòu)梁橋,日照溫度的作用會使結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生較大的溫度場,從而產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力。文獻(xiàn)[1-3]給出了混凝土結(jié)構(gòu)和混凝土箱梁橋的日照溫度荷載規(guī)定,明確了結(jié)構(gòu)的均勻整體升、降溫溫度荷載與升、降溫溫度梯度荷載。國內(nèi)外有很多相關(guān)的研究[4-9],但日照溫度荷載在橋梁結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的溫度場分布形式及數(shù)值大小會受諸多因素的影響,如橋梁的斷面形式、結(jié)構(gòu)的材料、所處位置的氣候特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)的朝向等,因此研究橋梁結(jié)構(gòu)的日照溫度荷載需要結(jié)合多個具體因素,不能一概而論。

本文以湖南地區(qū)的一座連續(xù)剛構(gòu)PC箱梁橋為研究對象進(jìn)行長期現(xiàn)場觀測。由于均勻溫度場的分析及計算比較簡單,所以本文主要研究混凝土箱梁橋的日照溫度梯度荷載及其引起的效應(yīng),并與現(xiàn)行國家規(guī)范進(jìn)行比較[10-12]。

1研究背景

湘江特大橋第16聯(lián)為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋,橋梁基本為東—西走向,計算跨徑為45 m+70 m+45 m,主跨支點(diǎn)橫斷面如圖1所示。

圖1　主跨支點(diǎn)斷面圖

此橋梁分為左、右2幅,對其中右幅主跨進(jìn)行觀測,此時橋梁主跨剛剛合攏。橋梁的溫度場采用FlukeTi25熱成像儀進(jìn)行觀測,現(xiàn)場測量箱梁內(nèi)、外表面各點(diǎn)的溫度值,所得到的標(biāo)準(zhǔn)圖像和圖像的溫度數(shù)據(jù)處理樣圖如圖2所示。

圖2　熱像圖及其溫度值

橋梁箱室內(nèi)、外大氣溫度采用新型WS-1毛發(fā)溫濕度表進(jìn)行測量,最后對數(shù)據(jù)分析處理得到箱室內(nèi)、外大氣溫度和橋梁結(jié)構(gòu)中的日照溫度場變化及其分布規(guī)律。

2溫度日變化

為了研究日照作用下混凝土箱梁橋溫度場的變化規(guī)律及其在結(jié)構(gòu)中的分布形式,共進(jìn)行了夏、秋、冬3個季節(jié)的觀測,由于篇幅限制本文只列出箱室內(nèi)外的大氣溫度、橋梁下的地面溫度以及具有代表性的橋梁頂板和底板各點(diǎn)的溫度日變化,并分析其變化規(guī)律。

2.1夏季日變化

選取天氣晴朗、太陽輻射較強(qiáng)、橋梁頂板溫差較大時橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面及大氣溫度的日變化情況,來說明位于自然環(huán)境中的混凝土箱梁橋日照溫度場的日變化規(guī)律。夏季箱室內(nèi)外大氣溫度、橋梁下地面溫度、橋梁頂板、底板各點(diǎn)的溫度變化如圖3所示。

圖3　夏季大氣、地面和橋梁頂、底板各點(diǎn)的溫度變化

由圖3可知,箱室外的大氣溫度日變化的幅度較大,最大為7 ℃;箱室內(nèi)大氣溫度日變化幅度較小,最大為1.5 ℃;橋梁下地面溫度的日變化溫差最大為4.67 ℃;橋梁頂板外表面的溫度日變化幅度最大,最高為40.67 ℃,最低為24.33 ℃;橋梁表面其他各點(diǎn)的日溫差變化幅度略小;橋梁頂板的日溫差變化幅度較大,最大差值為13.83 ℃;底板內(nèi)、外表面的日溫度變化也表現(xiàn)出同樣的規(guī)律,底板最大溫差為1.17 ℃。由圖3還可以看出,橋梁溫度由于受箱室內(nèi)、外大氣對流的影響較大,整個箱室內(nèi)、外表面的溫差日變化與大氣的溫差日變化相似,但橋梁表面各點(diǎn)的溫度日變化相對于大氣溫度的變化存在明顯的滯后現(xiàn)象,大氣最高溫度出現(xiàn)在13:00,而橋梁表面各點(diǎn)的日溫度最高值出現(xiàn)在14:00～16:00之間。通過計算,橋梁外表面各點(diǎn)溫度日變化與室外大氣溫度日變化的相關(guān)系數(shù)均值為0.74,橋梁內(nèi)表面各點(diǎn)溫度日變化與箱室內(nèi)大氣溫度日變化的相關(guān)系數(shù)為0.78,可見橋梁表面各點(diǎn)的溫度日變化受大氣溫度的影響較大。橋梁截面豎向發(fā)生最小、最大溫差時斷面表面各點(diǎn)的溫度如圖4所示。

圖4　夏季最小、最大溫差時橋梁截面表面的溫度

2.2秋季日變化

在秋冬季天氣晴朗、橋梁頂板外表面溫度較大時對橋梁內(nèi)、外表面溫度及大氣溫度的日變化進(jìn)行分析,各點(diǎn)的溫度日變化如圖5所示。由圖5可知,秋冬季箱室外大氣溫度日變化最高溫度為25 ℃,最低氣溫為9.7 ℃,日變化幅度較大;而箱內(nèi)大氣溫差最大僅為1 ℃,日變化幅度較小;橋梁頂板表面溫度日變化幅度最大,其他各點(diǎn)溫度日變化幅度略小;橋梁各點(diǎn)最高溫度一般出現(xiàn)在15:00～16:00。

圖5　秋季大氣、地面和橋梁頂、底板各點(diǎn)的溫度變化

橋梁截面發(fā)生最小、最大豎向溫差時斷面表面各點(diǎn)的溫度如圖6所示。橋梁地面溫度和外表面各點(diǎn)溫度的日變化與箱室外大氣溫度的相關(guān)程度較大,相關(guān)系數(shù)均值分別為0.75和0.79,橋梁箱室內(nèi)表面各點(diǎn)的溫度日變化與室內(nèi)大氣溫度的相關(guān)程度略小,相關(guān)系數(shù)均值為0.51。

圖6　秋季最小、最大溫差時橋梁截面表面的溫度

文獻(xiàn)[8]通過對鋼箱梁的實(shí)地觀測指出結(jié)構(gòu)中的日照溫度場存在滯后現(xiàn)象,結(jié)構(gòu)的溫度場變化比大氣溫度滯后2 h左右,在晴朗的天氣下,梁體溫度在15:00達(dá)到最高峰。本文所觀測的溫度場與室外大氣溫度之間同樣存在滯后現(xiàn)象,滯后約2～3 h。文獻(xiàn)[9]指出混凝土箱梁溫度場隨時間的變化規(guī)律與大氣溫度的變化規(guī)律相同,呈正弦曲線趨勢,箱梁頂板的溫度值及波動幅度要高于同時刻的外界大氣溫度值及波動幅度,這與本文所觀測的結(jié)論相同。由以上對比結(jié)果可知,本文采用紅外線熱成像儀對混凝土箱梁的日照溫度場進(jìn)行觀測的方式經(jīng)濟(jì)實(shí)用,且觀測結(jié)果符合實(shí)際,可用于指導(dǎo)工程實(shí)踐。

3溫度梯度荷載

混凝土材料導(dǎo)熱系數(shù)小、溫度變化慢,使得混凝土箱梁橋在太陽輻射、大氣溫度對流的作用下,結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生整體升、降溫的溫度荷載及正、負(fù)非線性的溫度梯度荷載。本文觀測的橋梁在日照荷載作用下,橋梁中產(chǎn)生的最不利的升、降溫溫度梯度荷載與我國現(xiàn)行的中國鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范(簡稱中國鐵路規(guī)范)、中國公路橋涵設(shè)計規(guī)范(簡稱中國公路規(guī)范)中所規(guī)定的升、降溫溫度梯度荷載在主跨1/4截面位置進(jìn)行對比,結(jié)果如圖7所示。

圖7　日照升、降溫梯度荷載

由圖7可知,中國公路規(guī)范的溫度梯度荷載為多段型,本文實(shí)測的與中國鐵路規(guī)范規(guī)定的均為曲線型;本文實(shí)測的升溫溫度梯度荷載的標(biāo)準(zhǔn)值(溫度梯度荷載在頂板的取值)與中國鐵路規(guī)范的規(guī)定相似,略小于中國公路規(guī)范的取值;本文實(shí)測的升溫溫度梯度荷載從頂板下降的斜率小于中國鐵路規(guī)范的,與中國公路規(guī)范的相近;本文所觀測到的升溫溫度梯度荷載在底板有1.2 ℃的溫差荷載,而2個規(guī)范中并沒有規(guī)定;本文測得的降溫溫度梯度荷載的標(biāo)準(zhǔn)值最大,而中國鐵路規(guī)范的取值最小;溫度梯度荷載從頂板向下上升的斜率本文觀測的結(jié)果最小;本文觀測得到了降溫溫度梯度荷載在橋梁底板有4 ℃的溫差,而2個規(guī)范中沒有規(guī)定底板溫差荷載。

4溫度梯度荷載效應(yīng)

國內(nèi)外都發(fā)生過由溫度應(yīng)力導(dǎo)致的混凝土結(jié)構(gòu)橋梁嚴(yán)重裂損的事故。將中國鐵路規(guī)范、中國公路規(guī)范與現(xiàn)場實(shí)測得到的溫度梯度荷載分別作用于所觀測的橋梁,采用ANSYS有限元軟件對溫度梯度荷載產(chǎn)生的效應(yīng)進(jìn)行分析。以所觀測的混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋的主跨為研究對象,數(shù)值分析模型如圖8所示,現(xiàn)場觀測得到的升、降溫度梯度荷載在橋梁結(jié)構(gòu)中的分布如圖9所示。

圖8　數(shù)值分析模型

圖9　升、降溫溫度場

在圖7所示的升、降溫溫度梯度荷載的作用下,混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋的主跨跨中沿腹板從頂板向下產(chǎn)生的溫度應(yīng)力如圖10所示,橋梁主跨兩支點(diǎn)間的頂板中部產(chǎn)生的豎向變形如圖11所示,其中應(yīng)力負(fù)值為壓應(yīng)力,變形正值為結(jié)構(gòu)向上變形。

圖10　主跨跨中升、降溫溫度梯度荷載

圖11　頂板中部的豎向變形

由圖10可知,在升溫溫度荷載作用下,中國公路規(guī)范規(guī)定的荷載產(chǎn)生的溫度正應(yīng)力數(shù)值最大,本文所測得的溫度梯度荷載產(chǎn)生的溫度應(yīng)力最大值與中國鐵路規(guī)范荷載產(chǎn)生的值相近,但本文觀測的荷載在箱梁的腹板及底板中有壓應(yīng)力產(chǎn)生,而2個規(guī)范荷載在結(jié)構(gòu)的腹板及底板中不產(chǎn)生應(yīng)力;在降溫溫度梯度荷載作用下,本文所測得荷載在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的應(yīng)力值最大,中國鐵路規(guī)范荷載產(chǎn)生的應(yīng)力最小,同時本文所測的降溫溫度梯度荷載在箱梁結(jié)構(gòu)的腹板和底板中產(chǎn)生拉應(yīng)力,而2個規(guī)范荷載則不產(chǎn)生應(yīng)力。由圖11可知,日照溫度梯度荷載在混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋中產(chǎn)生的頂板中部豎向變形數(shù)值不大,但本文觀測得到的升、降溫溫度梯度荷載在橋梁主跨跨中產(chǎn)生的豎向變形均比中國鐵路規(guī)范、中國公路規(guī)范規(guī)定荷載產(chǎn)生的變形略大。

5結(jié)論

(1) 采用熱成像儀對混凝土箱梁橋的日照溫度場進(jìn)行觀測是可行的。箱室截面內(nèi)、外表面各點(diǎn)溫度的日變化與箱梁室內(nèi)、外大氣溫度日變化的相關(guān)性較大?；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之間存在滯后現(xiàn)象,一般滯后2～3 h。

(2) 建議混凝土箱梁豎向日照溫度梯度荷載線形采用曲線型,升、降溫溫度梯度荷載標(biāo)準(zhǔn)值的取值應(yīng)分地區(qū)取用,升、降溫溫度梯度荷載在混凝土箱梁的底板中分別規(guī)定溫差荷載。

(3) 本文觀測所得升、降溫溫度梯度荷載在混凝土箱梁的腹板、底板中均產(chǎn)生應(yīng)力,而中國鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范、中國公路橋涵設(shè)計規(guī)范所規(guī)定的溫度梯度荷載在結(jié)構(gòu)的腹板、底板中不產(chǎn)生應(yīng)力。觀測所得溫度梯度荷載在橋梁中產(chǎn)生的豎向變形比中國鐵路規(guī)范、中國公路規(guī)范中規(guī)定荷載產(chǎn)生的變形略大。

[參考文獻(xiàn)]

[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[S].

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

[3]JTJ D62-2004,公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S].

[4]劉興法.混凝土結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力分析[M].北京:人民交通出版社,1991:10-71.

[5]何翔,方詩圣,方飛,等.不同梯度溫度作用下曲線橋梁的溫度效應(yīng)分析[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2012,35(8): 1088-1092.

[6]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.

[7]雷笑,葉見署,王毅,等.基于長期觀測的混凝土箱梁溫度與應(yīng)變分析[J].江蘇大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2010,31(2):230-234.

[8]陳家齊,顏全勝.湛江海灣大橋施工中鋼箱梁溫度分布觀測與分析[C]//第十三屆全國工程建設(shè)計算機(jī)應(yīng)用學(xué)術(shù)會議論文集,2006:512-518.

[9]曹少輝.貴州高墩大跨PC連續(xù)剛構(gòu)橋的溫度場分析與溫度效應(yīng)研究[D].長沙:長沙理工大學(xué),2010.

[10]彭友松.混凝土橋梁結(jié)構(gòu)日照溫度效應(yīng)理論及應(yīng)用研究[D].成都:西南交通大學(xué),2007.

[11]凱爾別克F. 太陽輻射對橋梁結(jié)構(gòu)的影響[M].劉興法,譯.北京:中國鐵道出版社,1981:102-134.

[12]項海帆. 高等橋梁結(jié)構(gòu)理論與計算方法[M].北京:人民交通出版社,2003:117-127.

(責(zé)任編輯胡亞敏)

Research on vertical temperature gradient field of concrete box girder under sunshine temperature load

ZHOU Ji-guo1, ZHONG Xin-gu2, WANG Gui-hua1, XUE Xiao-feng3

(1.School of Civil Engineering, Baicheng Normal University, Baicheng 137000, China; 2.School of Civil Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China; 3.School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710064, China)

Abstract:Choosing the concrete continuous rigid box girder bridge as the research object, the daily variation of temperature gradient in the concrete continuous box girder bridge under the sunshine temperature load was observed by field survey with the thermal imager. The distribution forms and values of maximum vertical rise and minimum fall temperature gradient load were also analyzed. The temperature gradient load effects in the bridge were numerically simulated and analyzed through ANSYS software, and the results were compared with the current Chinese specification. The results show that the distribution forms of vertical rise and fall temperature gradient in the bridge under the sunshine temperature load are both curvilinear. There are temperature differences in the box girder bottom slab and temperature stresses in the webs and bottom slab of box girder under the sunshine temperature load. In the respects of the distribution forms, values and effects of temperature gradient load in structure, there are certain differences between the temperature gradient load of observation and Chinese specification.

Key words:concrete box girder; sunshine temperature load; temperature field test; temperature gradient; temperature effect

中圖分類號:U442

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-5060(2016)02-0223-06

Doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.02.015

作者簡介：周記國(1986-),男,遼寧遼陽人,博士,白城師范學(xué)院講師;鐘新谷(1962-),男,湖南寧鄉(xiāng)人,博士,湖南科技大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師.

基金項目：中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項資金資助項目(CHD2011JC195);特大型橋梁綜合防災(zāi)減災(zāi)理論與方法研究資助項目(2011318223170)

收稿日期：2014-04-04；修回日期：2014-07-31