趙立財(cái)

1.臺(tái)灣科技大學(xué)營(yíng)建工程系，臺(tái)灣臺(tái)北10607

2.中鐵十九局集團(tuán)有限公司，北京100176

近年來(lái)，世界氣候發(fā)生了顯著變化，這種變化對(duì)交通運(yùn)輸系統(tǒng)產(chǎn)生了明顯影響。已有研究表明，氣候變化的過(guò)程中溫差變化也更強(qiáng)烈、更持久、更頻繁，溫差會(huì)增加橋梁的應(yīng)力集中，導(dǎo)致產(chǎn)生新的裂縫，降低橋梁的使用性、耐久性和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[1-2]。因此，分析已有研究和檢查當(dāng)前的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)顯得非常重要。

橋梁結(jié)構(gòu)經(jīng)常暴露在環(huán)境溫度下，混凝土橋梁在縱向、豎向和橫向都會(huì)經(jīng)歷較大的溫度變化。一般情況下，橋梁縱向溫度被認(rèn)為是均勻分布的，但在橫斷面上的垂直和橫向方向溫度是漸變的。在靜定結(jié)構(gòu)中，膨脹和縱向溫度變化引起的收縮通常與伸縮縫有關(guān)；而在超靜定結(jié)構(gòu)中，縱向溫度變化會(huì)產(chǎn)生一組自平衡應(yīng)力[3-4]。當(dāng)梁段表面的溫度增加且結(jié)構(gòu)尺寸較大時(shí)，在橫截面內(nèi)將產(chǎn)生非線(xiàn)性的溫度分布，進(jìn)而產(chǎn)生能夠影響結(jié)構(gòu)外觀的自平衡應(yīng)力。然而，工程中關(guān)注更多的往往是橫向溫度梯度。很多橋梁倒塌事件也說(shuō)明掌握混凝土橋梁橫向溫度的分布顯得尤為重要。值得注意的是，當(dāng)梁一側(cè)經(jīng)太陽(yáng)輻射溫度增加并引起側(cè)向彎曲時(shí)，會(huì)發(fā)生溫度熱傳遞現(xiàn)象，這會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)偏心，降低構(gòu)件的橫向穩(wěn)定性。因此，本研究的主要目的是通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定主梁橫向和縱向的溫度梯度變化規(guī)律。

當(dāng)前我國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)溫度梯度定律推導(dǎo)時(shí)，研究人員通過(guò)對(duì)箱梁截面的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確定主要的溫度輸入源為梁頂太陽(yáng)輻射，并指出，相比垂直溫度流，橫向溫度流可以忽略。為了量化基于單向溫度流分析所得自平衡應(yīng)力，研究人員開(kāi)發(fā)了一種通過(guò)使用第五階曲線(xiàn)來(lái)表示垂直溫度梯度的溫度分布模型[5]。其確定了3個(gè)主要對(duì)溫度的影響因素，即風(fēng)速、環(huán)境溫度在箱梁中產(chǎn)生的溫差、黑色的橋面。而由于我國(guó)氣候條件多樣化，在對(duì)設(shè)計(jì)規(guī)范中梁體橫截面溫度梯度標(biāo)準(zhǔn)修正時(shí)應(yīng)將不同地理位置的氣候條件、截面形狀以及材料特性，納入到梁體混凝土溫度分布規(guī)律確定的重要影響因素當(dāng)中。

在公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范(JTGD60-2015)中指出，如果裸鉛溫度探測(cè)器鉆孔總深度小于400 mm，則溫度探測(cè)器埋入梁體的實(shí)際深度為距離混凝土表面的孔深減去100 mm。另外據(jù)盛興旺等[6]的研究可知，許多因素對(duì)混凝土的溫度性能都有影響，但這些性質(zhì)不足以顯著影響溫度梯度。因此，即使在本研究中使用來(lái)自不同場(chǎng)地的混凝土梁段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，也不會(huì)影響溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

橋梁結(jié)構(gòu)有3個(gè)主要溫度傳導(dǎo)機(jī)制，即直接太陽(yáng)輻射、周?chē)諝鉁囟鹊膶?duì)流以及地面太陽(yáng)光反射，其影響梁段不同深度和寬度的溫度變化，橋梁結(jié)構(gòu)溫度傳導(dǎo)機(jī)制如圖1所示。

圖1 傳溫度機(jī)制

把某橋的2個(gè)預(yù)應(yīng)力混凝土I型梁的截面分別放置于黃家村試驗(yàn)場(chǎng)(截面1)和御景壟譚家村試驗(yàn)場(chǎng)(截面2)，對(duì)I 型梁的截面1和截面2進(jìn)行探溫器布置，I型梁截面尺寸及探溫器布置如圖2所示。每節(jié)段I型梁體需設(shè)置29個(gè)探溫器，其中有12個(gè)探溫器位于橫截面內(nèi)部中心呈工字形分布，與之相對(duì)應(yīng)的節(jié)段梁體中部翼緣板與腹板的外表面布設(shè)有17個(gè)探溫器。如此選擇測(cè)量位置的目的是要全面了解垂直和橫向的溫度梯度。本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄時(shí)間為2019年4 月—2020年1月。

圖2 I型梁截面尺寸及探溫器的布置形式

1.1 儀器儀表和溫度測(cè)量

對(duì)于內(nèi)部探溫器，首先需在裸鉛探頭上涂覆環(huán)氧樹(shù)脂，以防止水分作用引發(fā)探頭故障。然后將探溫器連接到鋼筋框架上，放置探溫器時(shí)需注意不要讓探頭和鋼筋之間發(fā)生接觸，從而避免對(duì)溫度讀數(shù)產(chǎn)生影響。另外，為提供備份選項(xiàng)，應(yīng)在每個(gè)位置放置2個(gè)探頭。對(duì)于表面探溫器的放置，傳統(tǒng)方法是將裸鉛探溫器放置在梁段的表面上并用EP氧膩?zhàn)庸潭ㄔ谶m當(dāng)位置，這些探針受環(huán)境空氣中溫度的影響較大；本文采用方法是以3.175 mm 直徑的小孔鉆入混凝土表面約12.7 mm深，再將裸鉛探溫器置于這些孔中，并用EP 氧膩?zhàn)臃舛裸@孔并固定。這種方法能避免探溫器受環(huán)境空氣溫度影響，提供更準(zhǔn)確地讀數(shù)，以期減小誤差。

1.2 應(yīng)變測(cè)量

在梁段的2個(gè)表面設(shè)置可拆卸的機(jī)械應(yīng)變點(diǎn)。在空間允許的情況下，在每根梁的南側(cè)面四點(diǎn)網(wǎng)格上布置應(yīng)變計(jì)。早晨的讀數(shù)被認(rèn)為是零膨脹狀態(tài)；之后隨著溫度上升，認(rèn)為是膨脹狀態(tài)；待午夜溫度降低后認(rèn)為是收縮狀態(tài)。使用已知的量規(guī)長(zhǎng)度和測(cè)量點(diǎn)之間距離的變化來(lái)計(jì)算應(yīng)變百分比；采用典型的溫度膨脹系數(shù)為9(-6℃)的混凝土，估算膨脹后的溫升，并與同一時(shí)間段的實(shí)測(cè)溫升進(jìn)行比較。應(yīng)注意的是，在比較橫梁表面上的膨脹讀數(shù)與內(nèi)部溫度時(shí)會(huì)存在一些固有誤差，因?yàn)樾枰俣囟仍跈M向上恒定不變，雖然實(shí)際情況并非如此。然而，這種比較仍然能夠給出較為合理的溫度梯度。

所有探溫器被放置在每個(gè)區(qū)段之后，連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以10 min 的間隔記錄讀數(shù)。數(shù)據(jù)大約以2周的時(shí)間間隔上傳。系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行由太陽(yáng)能供電支持。由于維護(hù)或暫時(shí)失去電力，在數(shù)據(jù)收集上可能存在一些間隙，這些數(shù)據(jù)間隙并不影響本研究的結(jié)果或結(jié)論。圖3給出了完整的梁段儀表的布局情況。為盡可能地模擬橋梁的實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)條件，將梁體放置在支承墊塊上，以防止地面對(duì)其產(chǎn)生任何影響，并允許空氣在梁體下面流動(dòng)，這與實(shí)際的橋梁結(jié)構(gòu)形式完全相同。為防止過(guò)度的地面太陽(yáng)反射，在每一梁段下方放置一塊深色反射板。在砌體支撐和梁之間放置溫度傳導(dǎo)系數(shù)低的木材，防止溫度損失或兩端的增益，并用聚苯乙烯泡沫板連接到每個(gè)段的末端。梁體起重吊點(diǎn)安裝具有絕緣的提鐵(吊鉤)，以減輕潛在的溫度梯度效應(yīng)。

圖3 梁段監(jiān)測(cè)設(shè)備布局

在2個(gè)試驗(yàn)地點(diǎn)，主梁放置方向都為東—西向。以往的研究表明，這種取向會(huì)產(chǎn)生最大的垂直和橫向溫度梯度。具體來(lái)講，當(dāng)只有梁的一側(cè)暴露于太陽(yáng)下，這種取向?qū)M向溫度梯度影響最大。由于環(huán)境數(shù)據(jù)沒(méi)有直接收集，為了分析導(dǎo)致最極端溫度梯度的環(huán)境條件，從附近的國(guó)家海洋和大氣管理局站收集氣象數(shù)據(jù)，包括最大和最小日氣溫、平均日風(fēng)速和降水量，地面太陽(yáng)輻射讀數(shù)從氣象站獲取。

2 溫度梯度數(shù)據(jù)分析

2.1 實(shí)測(cè)垂直溫度梯度與修正

溫度讀數(shù)以10 min 為周期連續(xù)采集10個(gè)月。探溫器中心垂直線(xiàn)上的最高和最低溫度讀數(shù)之間的差值為最大垂直溫度梯度。最大垂直溫度梯度值如表1所示。由表1可知，實(shí)測(cè)最大溫度梯度發(fā)生在9月22日下午1:00，溫度梯度為27.6℃，這是因?yàn)楫?dāng)天風(fēng)速較低，環(huán)境溫度變化大。然而，根據(jù)當(dāng)?shù)夭块T(mén)的天氣記錄資料，最大太陽(yáng)輻射的時(shí)間約為6月29下午2:00左右，觀察到的當(dāng)日最大垂直溫度梯度值為26.0℃。

表1 最大垂直溫度梯度測(cè)量數(shù)據(jù)

這說(shuō)明極端溫度不一定產(chǎn)生最極端的垂直溫度梯度。探溫器中測(cè)量的數(shù)據(jù)將表明，極端溫度梯度的發(fā)生從來(lái)不與極端溫度事件相隨，由此可知溫度梯度與極端溫度也是不相關(guān)的。這一結(jié)果可為今后的橋梁梁體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供有利的參考依據(jù)，極端溫度梯度與極端溫度因素不是關(guān)鍵的設(shè)計(jì)條件。

本研究中，I型梁體截面V 型區(qū)段(部位)的溫度梯度數(shù)據(jù)在2019年9月—2019年11月期間變化不大。2019年11月23號(hào)12:00 梁體截面不同深度的溫度變化如圖4所示。

圖4 鉆孔中的裸鉛探溫器溫度變化

由圖4可知，內(nèi)部探溫器顯示了梁中溫度分布的更精確圖像；因?yàn)楸砻嫣綔仄饕资苤車(chē)諝鉁囟鹊挠绊懀瑹o(wú)法捕獲實(shí)際的表面溫度。探測(cè)器溫度記錄變化很大，在這一天I型梁體截面V 型區(qū)段（部位）中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中觀察到最大的垂直溫度梯度與常用規(guī)范中的規(guī)定不同，常用規(guī)范中的垂直溫度梯度需參考圖4右側(cè)進(jìn)行修正。此處的研究目是為在進(jìn)行混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)探測(cè)的極端高溫和極端低溫值的溫差數(shù)據(jù)，確定是否需要調(diào)整溫度系數(shù)的取值[7]。

2.2 實(shí)測(cè)橫向溫度梯度與修正

主梁南面暴露在陽(yáng)光下，整個(gè)北面被遮蔽，所有的試件都定向于東—西向。表2列出了2019年6月—2019年11月實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的最高和最低溫度的日期以及橫向溫度梯度數(shù)據(jù)，由歷史記錄可知，2019年6月—2019年10月有90 d 以上的日記錄高點(diǎn)（32°C及以上），梁體最大橫向溫度梯度為2019年10月14日（如表2所示）。說(shuō)明最大橫向溫度梯度只有在夏季和秋季的月份才會(huì)出現(xiàn)。從梯度樣本可以發(fā)現(xiàn)，黃家村試驗(yàn)場(chǎng)6月和7月的最大橫向梯度分別發(fā)生在6月10日和7月27日，8月份的最大橫向梯度發(fā)生在8月25日。

表2 觀測(cè)到的最大橫向梯度日的環(huán)境條件

在大多數(shù)情況下，低風(fēng)速也會(huì)導(dǎo)致較大的溫度梯度的產(chǎn)生。由記錄可知，雖然10月、11 月的環(huán)境風(fēng)速比6月—9月高很多，但是6月—9月的高溫度范圍遠(yuǎn)高于10月、11月?；趹?yīng)變讀數(shù)的理論溫升與I型梁體在同一時(shí)間的實(shí)測(cè)溫升進(jìn)行了比較，如圖5所示。發(fā)現(xiàn)橫向溫度梯度與垂直梯度變化趨勢(shì)相同，說(shuō)明I 型梁體截面的V 型區(qū)段（部位）經(jīng)歷了類(lèi)似垂直溫度梯度變化過(guò)程，觀察到最大橫向溫度梯度與垂直溫度梯度形態(tài)較接近。

實(shí)測(cè)結(jié)果表明，在梁的上部測(cè)量結(jié)果能夠與規(guī)范和理論預(yù)測(cè)值很好地匹配，在下部稍有偏差。通過(guò)南昌市黃家村試驗(yàn)場(chǎng)和御景壟譚家村試驗(yàn)場(chǎng)2個(gè)梁體截面的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，測(cè)得的截面不同區(qū)段(部位)最大溫升位置是一致的。但是在梁體混凝土外表面上采取膨脹讀數(shù)，并與梁段中部的內(nèi)部探溫器進(jìn)行比較時(shí)，這2個(gè)場(chǎng)地的梁體混凝土面的溫度梯度之間存在一定偏差。

圖5 從應(yīng)變讀數(shù)得出理論溫升與試驗(yàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)溫升比較

2.3 測(cè)量梯度與梯度模型的比較

Jong-Han Lee[8](李氏方法)提出了I型梁體混凝土受太陽(yáng)輻射熱量影響條件下不同深度的垂直溫度分布值，圖6給出了I型梁體截面V 型區(qū)段的《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》、李氏方法以及實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)三者間垂直溫度梯度差異對(duì)比情況。

圖6 不同方法截面垂直溫度梯度比較

由圖6垂直溫度梯度對(duì)比結(jié)果可知，設(shè)計(jì)規(guī)范、李氏方法與實(shí)驗(yàn)中實(shí)測(cè)值存在一定差異，其中I型梁底翼緣板截面V 型區(qū)段測(cè)得的溫度差異高，其原因是由于在秋季垂直面太陽(yáng)照射角度較小和陽(yáng)光直射更多[9-10]。

在我國(guó)的公路橋涵規(guī)范中并沒(méi)有給出用于混凝土橋梁的穩(wěn)定橫向溫度梯度，但是李氏方法[8]給出了這一溫度梯度值。為了比較實(shí)測(cè)與李氏方法的差異，圖7中同時(shí)給出I型梁體翼緣板截面V 型區(qū)段多個(gè)工況下李氏溫度梯度與實(shí)測(cè)橫向溫度梯度值。

圖7 實(shí)測(cè)與預(yù)測(cè)截面橫向溫度梯度比較

由圖7分析結(jié)果可知，在所有的頂部翼緣板截面不同位置的橫向溫度梯度呈下降趨勢(shì)，溫度的改變量幅值非常相似，其原因在試驗(yàn)場(chǎng)于10月中旬觀察到的晝夜溫差最大[11-12]。

3 結(jié)論

1)通過(guò)自然條件下混凝土I型梁的溫度試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)行的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)混凝土I型梁截面豎向溫度梯度。具體而言，當(dāng)考慮具有比頂緣更寬的底部凸緣的梁時(shí)，規(guī)范中對(duì)垂直梯度在大小或形狀上的規(guī)定不準(zhǔn)確。另外，缺少對(duì)截面橫向溫度梯度的規(guī)定。

2)在考慮溫度梯度時(shí)，極端溫度未必是臨界設(shè)計(jì)條件。而較大的日溫度變化、低風(fēng)速是重要的影響因素。

本研究的一個(gè)初步假設(shè)是在橋面鋪裝之前，預(yù)制成型的混凝土I 型梁會(huì)出現(xiàn)極端的垂直和橫向梯度。這一假設(shè)有待進(jìn)一步研究。另外，過(guò)大的表面積通過(guò)吸收太陽(yáng)輻射會(huì)造成較大的垂直梯度。本文的研究成果有益于我國(guó)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》對(duì)I 型梁體截面溫度梯度規(guī)定內(nèi)容的修正。