(重慶交通大學(xué) 重慶 400074)

一、引言

長(zhǎng)期暴露在自然環(huán)境中斜拉橋的斜拉橋，無(wú)時(shí)無(wú)刻不受到日照、驟然降溫、風(fēng)等氣候因素的作用。由文獻(xiàn)可知這些因素一方面產(chǎn)生銹蝕、滲透作用，直接影響結(jié)構(gòu)的耐久性：另一方面通過(guò)改變體系或結(jié)構(gòu)的溫度分布，產(chǎn)生由溫度變化和溫度分布不均勻而生成的溫度內(nèi)力，有時(shí)這種溫度內(nèi)力達(dá)到甚至超過(guò)了恒載或活載產(chǎn)生的內(nèi)力，嚴(yán)重影響橋梁的安全性和穩(wěn)定性。

混凝土橋梁因受氣候條件的變化而產(chǎn)生的溫度場(chǎng)效應(yīng)主要可歸納為日照、驟然降溫、年溫度變化等三個(gè)方面的影響。年溫度變化指的是常年緩慢變化的年氣溫過(guò)程，此時(shí)結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)可以看作均勻分布。由日照輻射和寒流導(dǎo)致的驟然降溫，屬于局部時(shí)刻溫度影響，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)各部分的溫度差異和截面的不均勻溫度分布，從而產(chǎn)生溫度內(nèi)力和溫度應(yīng)力，也是產(chǎn)生橋梁結(jié)構(gòu)裂縫的最主要因素。而日照主要影響因素是太陽(yáng)輻射，會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生“背日葵”效應(yīng)，從而引起結(jié)構(gòu)的變形。所以溫度場(chǎng)對(duì)混凝土橋梁的影響亟需要研究。

二、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

(一)國(guó)外研究

國(guó)外對(duì)溫度場(chǎng)的研究最初是從上世紀(jì)中葉開始的。起初，溫度研究都是假定溫度沿梁高為線性分布，研究氣溫、風(fēng)速、太陽(yáng)輻射等參數(shù)對(duì)溫度分布的影響。美國(guó)zuk[1](20 世紀(jì)60 年代)指出氣溫、風(fēng)、太陽(yáng)輻射和材料種類會(huì)影響橋梁的溫度分布，并在實(shí)橋觀測(cè)的基礎(chǔ)上，用線性溫度分布分析結(jié)合梁的溫度應(yīng)力。英國(guó)Emerson[2](20世紀(jì)60年代)提供了基于一維熱流模型的研究結(jié)果，內(nèi)容包括幾個(gè)重要參數(shù)對(duì)溫度分布的影響及溫度分布的形式。研究表明，太陽(yáng)輻射是最首要的影響因素，太陽(yáng)輻射能量引起的溫度變化主要取決于發(fā)射率和物體表面吸收系數(shù)，但發(fā)射率對(duì)接收到的輻射量的影響較??；第二個(gè)重要參數(shù)是風(fēng)速，它直接影響著物體表面的熱對(duì)流系數(shù)。之后，許多學(xué)者開始對(duì)非線性溫度場(chǎng)進(jìn)行研究，對(duì)非線性溫度場(chǎng)的分布模式進(jìn)行了大量的研究。

(二)國(guó)內(nèi)研究

國(guó)內(nèi)對(duì)于溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力的研究始于20世紀(jì)50年代末。主要研究?jī)?nèi)容可以概括為溫度分布的研究、溫度模式的簡(jiǎn)化以及溫度效應(yīng)的計(jì)算。七十年代以后，以劉興法[3]為代表的一大批學(xué)者對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝上箱梁橋溫度應(yīng)力進(jìn)行了深入的研究，并取得了一系列重要的成果，使箱梁溫度應(yīng)力計(jì)算理論逐步完善起來(lái)。劉興法結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的論述了混凝土結(jié)構(gòu)在溫度作用下的計(jì)算理論與方法。對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)日照溫度作用、降溫作用進(jìn)行了分析，將箱梁的溫度場(chǎng)簡(jiǎn)化為二維溫度場(chǎng)，按疊加豎向和橫向的一維溫度場(chǎng)的計(jì)算方法計(jì)算溫度應(yīng)力，此方法被鐵道部于1984年6月納入鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范(TBJ2-85)。上海城市建設(shè)學(xué)院對(duì)混凝土斜拉橋橋塔的溫度場(chǎng)作了研究，運(yùn)用富里埃傳導(dǎo)理論，建立了混凝土斜拉橋結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)的二維差分方法，將溫度影響的計(jì)算簡(jiǎn)化為短期溫差和長(zhǎng)期溫差作用下的控制溫度荷載的計(jì)算問(wèn)題。近幾十年來(lái)，隨著我國(guó)交通事業(yè)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的學(xué)者對(duì)溫度場(chǎng)及溫度效應(yīng)問(wèn)題進(jìn)行研究。

葉見曙[4](2002)對(duì)南京二橋北漢主橋大跨度連續(xù)箱梁橋進(jìn)行溫度場(chǎng)觀測(cè)，分析認(rèn)為溫度分布可用指數(shù)函數(shù)表示。

郭棋武[5](2002)在武漢市江漢四橋施工過(guò)程中進(jìn)行了溫度分布觀測(cè)。在實(shí)測(cè)資料的基礎(chǔ)上對(duì)溫差公式進(jìn)行參數(shù)識(shí)別，將理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)資料進(jìn)行比較，驗(yàn)證了非線性溫度梯度模式的合理性。

(三)研究目標(biāo)

(1)探討溫度場(chǎng)的影響因素。

(2)探討溫度場(chǎng)的分類和特點(diǎn)。

(3)借鑒國(guó)內(nèi)外對(duì)橋梁溫度場(chǎng)的研究分析溫度場(chǎng)對(duì)混凝土的橋梁的不利影響及解決措施。

三、溫度場(chǎng)分類和特點(diǎn)

(一)日照溫度荷載

橋梁結(jié)構(gòu)的同照溫度變化復(fù)雜，影響囡素也眾多，主要包括以下幾個(gè)方面：太陽(yáng)的直接輻射、日照強(qiáng)度、天空輻射、地面反射、風(fēng)速、氣溫變化以及地理位置、方位和結(jié)構(gòu)物壁板的朝向、所處地的地形地貌條件等。因此，日照溫度變化引起工程結(jié)構(gòu)的表面和內(nèi)部溫度變化是一個(gè)隨機(jī)變化的量。結(jié)構(gòu)表面溫度變化具有十分明顯的諧波曲線特性。其中不僅有太陽(yáng)輻射引起的局部性，而且有混凝土的不均勻熱傳導(dǎo)性。因而難以直接求得其函數(shù)解，只能進(jìn)行近似的數(shù)值解。

(二)驟然降溫溫度荷載

驟然降溫溫度變化可分為兩種情況：一是工程結(jié)構(gòu)在冷空氣侵襲作用下，結(jié)構(gòu)外表面迅速降溫，結(jié)構(gòu)中形成內(nèi)高外低的溫度分布狀態(tài)；二是日照降溫，由于日落等因素的影響導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)外表面的溫度急速下降，橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度幾乎沒有變化，因而形成比較大的內(nèi)高外低的溫差狀態(tài)。這兩種降溫溫度變化，一般只要考慮風(fēng)速和氣溫變化這兩個(gè)因素，而忽略日照輻射影響。

(三)年溫度荷載

混凝土橋梁，由于年溫變化是長(zhǎng)期而緩慢作用的，使得橋梁結(jié)構(gòu)整體發(fā)生比較均勻的溫度變化。所以，在考慮年溫溫度變化對(duì)混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的影響時(shí)，一般都以混凝土橋梁的平均溫度為依據(jù)。一般規(guī)定以最高和最低的月平均氣溫的變化量作為年溫變化幅度。

四、溫度場(chǎng)對(duì)混凝土橋梁的影響及措施

(一)不利影響

在日照溫度、驟然降溫等環(huán)境因素作用下混凝土結(jié)構(gòu)可能會(huì)出現(xiàn)裂縫，長(zhǎng)久情況下因?yàn)榛炷習(xí)艿綔囟刃?yīng)的影響，如果溫度過(guò)高，混凝土材料會(huì)發(fā)生膨脹情況，導(dǎo)致混凝土橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，最終在混凝土橋梁表面出現(xiàn)裂縫情況，同時(shí)如果溫度過(guò)低，混凝土就會(huì)出現(xiàn)收縮反應(yīng)，從而在橋梁結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生一定的收縮應(yīng)力，收縮應(yīng)力如果長(zhǎng)期在橋梁結(jié)構(gòu)中進(jìn)行作用，就會(huì)導(dǎo)致橋梁整體出現(xiàn)變形的情況。如果白天和夜晚溫度差值較大，橋梁結(jié)構(gòu)就會(huì)因?yàn)闀円箿夭畛霈F(xiàn)疲勞反應(yīng)，降低橋梁的使用壽命。如果混凝土橋梁表面長(zhǎng)期在集中應(yīng)力作用下，就會(huì)降低混凝土橋梁的結(jié)構(gòu)性能，最終使混凝土橋梁的穩(wěn)定性和安全性遭到破壞。

(二)解決措施

綜上所述，如何有效防止溫度效應(yīng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響是橋梁設(shè)計(jì)中首先考慮的問(wèn)題，從而有效保障混凝土橋梁的安全性和穩(wěn)定性。在混凝土橋梁設(shè)計(jì)中應(yīng)該分析橋墩溫差效應(yīng)、溫差應(yīng)力非線性分布問(wèn)題、橋面及墩地固定的約束力等，從而提高混凝土橋梁抗溫度效應(yīng)的能力，提高橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和使用期限。

(1)在混凝土橋梁表面涂一層抗太陽(yáng)輻射的涂料或者降低溫度影響的涂料。

(2)避免在最不利溫差的條件下進(jìn)行施工。