孫舒暢

（武漢工程大學(xué),湖北 武漢 430074）

1 概述

在改革開放以來,我國公路建設(shè)事業(yè)快速發(fā)展。在我國南方地區(qū),由于湖泊河流眾多,橋梁占公路總里程的比例可達(dá)十分之一以上。對(duì)于橋梁的上部結(jié)構(gòu),箱型截面因其抗扭慣性矩較大、且在施工和使用過程中具有良好穩(wěn)定性成為了橋梁上部結(jié)構(gòu)的首選截面形式。由于橋梁結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期暴露于自然環(huán)境中,受日照輻射、空氣流動(dòng)和環(huán)境溫度等因素影響,箱梁結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)會(huì)表現(xiàn)出明顯的隨機(jī)性、時(shí)變性和非線性,由溫度作用產(chǎn)生的混凝土箱梁的應(yīng)力和變形直接影響到混凝土結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性和適用性,對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力有顯著影響[1-3]。理論分析和實(shí)驗(yàn)研究均表明,溫度作用在某些氣候極端的條件下會(huì)超過其他荷載成為第一控制作用,對(duì)橋梁的安全運(yùn)營(yíng)造成較大的危害。對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁來說,溫度作用是造成混凝土開裂的主要影響因素之一。由于混凝土的熱傳導(dǎo)系數(shù)通常在1.86～3.49W/（m℃）,熱傳導(dǎo)效率不高。當(dāng)外部環(huán)境溫度發(fā)生變化的時(shí)候,混凝土表面的溫度跟著環(huán)境變化而迅速變化,而混凝土內(nèi)部的溫度變化則相對(duì)較為緩慢,由此產(chǎn)生不均勻的溫度分布,會(huì)引起非常大的溫度應(yīng)力。其中日照作用因其作用范圍的局部性,時(shí)間上短時(shí)急變導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)受到日照作用時(shí)溫度變化表現(xiàn)最為復(fù)雜。因而,日照作用對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響已成為國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的主要焦點(diǎn)之一,而建立精確的橋梁溫度場(chǎng)是研究其效應(yīng)的基礎(chǔ)和前提。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于混凝土箱梁結(jié)構(gòu)受到日照作用下的溫度分布規(guī)律開展了許多工作,認(rèn)為橋梁溫度場(chǎng)隨著橋梁位置、截面尺寸形式、日照輻射強(qiáng)度等因素的不同而改變[4-8]。為了便于橋梁的工程設(shè)計(jì),各國在橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)箱梁的溫度分布給出了不同的溫度梯度模式。其中我國《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）[9]、美國AASHTO 規(guī)范[10]、歐洲規(guī)范[11]等規(guī)范采取多折線的溫度梯度模式,文獻(xiàn)[12-14]中通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和理論分析提出箱梁截面由頂板至底板以上的溫差模式可用指數(shù)曲線的形式來表示。由于混凝土箱梁溫度場(chǎng)具有明顯的區(qū)域性,且不同的箱梁截面形式和布置特點(diǎn)所呈現(xiàn)的溫度分布也大不相同,所以在實(shí)際應(yīng)用中不能簡(jiǎn)單地套用某一地區(qū)的溫度梯度模式,而必須通過實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)來分析研究符合本地區(qū)的混凝土箱梁的溫度梯度模式。而相比于通過有限元數(shù)值模擬得到的溫度場(chǎng),其結(jié)果對(duì)于邊界條件的選取十分敏感,具有明顯的不確定性,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的溫度數(shù)據(jù)更能反映橋梁運(yùn)營(yíng)時(shí)期的真實(shí)狀況。因此,隨著橋梁工程的發(fā)展,鑒于溫度作用對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)的影響,更好地觀測(cè)與分析橋梁溫度場(chǎng),研究其溫度場(chǎng)的分布規(guī)律,對(duì)于提高結(jié)構(gòu)的安全性和和延長(zhǎng)橋梁的使用壽命具有非常重要工程實(shí)際意義。亦對(duì)于完善混凝土箱梁設(shè)計(jì)理論具有重大的參考價(jià)值。

2 箱梁溫度觀測(cè)截面測(cè)點(diǎn)布置

新五黃立交B 五聯(lián)匝道橋,其結(jié)構(gòu)為5×21.36m 等截面混凝土曲線箱梁,南北朝向。匝道橋?yàn)?0m 寬鋼筋混凝土箱梁,曲率半徑2000m,采用單箱單室截面,箱梁頂板寬10m,挑臂長(zhǎng)2.5m,厚度0.15～0.4m,底板寬5m,箱梁截面高度為1.5m。

為了反映在日照作用下混凝土箱梁的實(shí)際溫度變化規(guī)律,在接近跨中截面的1-1 截面處,布置了28 個(gè)LTM8877 溫度傳感器（測(cè)量范圍為-55～+125℃,在-10～+85℃范圍內(nèi)精度為±0.5℃）。箱梁截面溫度測(cè)點(diǎn)布置如圖1 所示。

圖1 箱梁截面溫度測(cè)點(diǎn)布置圖

3 溫度觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

因混凝土導(dǎo)熱系數(shù)較低,且受到箱梁空間尺寸上的影響,從國內(nèi)外混凝土箱梁溫度場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)來看,在日照輻射的作用下,箱梁頂板溫度高于腹板、底板的溫度,且豎向溫差較大。因此從新武黃立交橋混凝土箱梁溫度檢測(cè)數(shù)據(jù)中選取了夏季太陽輻射較為強(qiáng)烈的幾天進(jìn)行分析。根據(jù)氣象局所查的資料,選取2019 年8 月17 日至19 日三天的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。溫度測(cè)試頻率為每四小時(shí)一次。三天最高環(huán)境氣溫均為38℃。下圖中0 時(shí)刻均為2019 年8 月17 日0 時(shí)。

3.1 箱梁頂板混凝土溫度分布

根據(jù)箱梁截面溫度測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示,在日照作用下,箱外遮蔭氣溫和各測(cè)點(diǎn)的溫度測(cè)試數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化基本呈周期為24 小時(shí)的正弦曲線變化,由于各測(cè)點(diǎn)的深度的不同,其溫度變化幅值也有所不同。

分析圖2 與圖3 可以得出, 箱梁頂板上下表面各測(cè)點(diǎn)位置的混凝土溫度變化規(guī)律幾乎一致, 均呈明顯的正弦變化趨勢(shì)。但由于我國處于北半球,西側(cè)位置的輻射角小于東側(cè)位置,西側(cè)吸收的太陽輻射略高于東側(cè),從而致使由于位于頂板上下表面西側(cè)16、22 測(cè)點(diǎn)溫度始終略高于位于東側(cè)2、8 測(cè)點(diǎn)溫度。箱梁頂板東西兩側(cè)橫向溫差不大,最大溫差不超過2℃。

圖2 箱梁頂板上表面測(cè)點(diǎn)與箱外遮蔭氣溫

圖3 箱梁頂板上表面測(cè)點(diǎn)與箱外遮蔭氣溫

整體來看,頂板溫度在當(dāng)日11 時(shí)左右達(dá)到最低值,在21 時(shí)左右達(dá)到溫度最高值,16 時(shí)左右溫度變化速率最快。說明太陽輻射在6 時(shí)左右開始增強(qiáng),致使箱梁溫度下降速率減??；在16 時(shí)左右達(dá)到最大值,致使箱梁溫度上升速率達(dá)到最大值；在21 時(shí)左右太陽輻射減弱至最低,致使箱梁溫度在此時(shí)達(dá)到最大值,隨后溫度開始下降。由于受到較強(qiáng)烈的太陽輻射的影響,箱梁頂板上表面的混凝土溫度明顯高于同一時(shí)刻的箱外遮蔭氣溫,最高溫度約為41℃。

對(duì)比箱梁溫度測(cè)點(diǎn)與箱外遮蔭溫度數(shù)據(jù),由于混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)較低且由于溫度測(cè)點(diǎn)埋置深度于頂板表面3cm 以下,不能受到陽光直射,因此頂板表面以下測(cè)點(diǎn)位置的混凝土溫度達(dá)到最大值和最小值的時(shí)間比箱外遮蔭溫度測(cè)點(diǎn)要延遲到3 到4 個(gè)小時(shí)。

3.2 箱梁腹板混凝土溫度分布

分析圖4 可以得出,腹板混凝土溫度在當(dāng)日16 時(shí)左右達(dá)到最大值,在當(dāng)天4 時(shí)左右溫度達(dá)到最低值,14 時(shí)左右溫度上升速率最快。腹板中心截面靠近箱內(nèi)測(cè)點(diǎn)13混凝土溫度變化幅度大于其他部位,腹板內(nèi)部測(cè)點(diǎn)11,12 混凝土溫度變化幅度相對(duì)較?。簧郎剡^程中,由于箱室內(nèi)溫度上升速度高于外界氣候環(huán)境溫度,因此內(nèi)表面溫度變化速率高于外表面溫度變化速率,且兩者溫差逐漸增大,當(dāng)箱梁溫度達(dá)到最大值時(shí),溫差也達(dá)到最大值約2℃；降溫過程中,內(nèi)外兩側(cè)溫度逐漸下降,溫差減少,內(nèi)外最低溫度基本一致,溫差不超過1℃。

圖4 箱梁東側(cè)腹板中心截面測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)溫度

3.3 箱梁沿截面高度混凝土溫度分布

圖5 中16、22 號(hào)測(cè)點(diǎn)為頂板上下表面測(cè)點(diǎn),23、24、25 號(hào)測(cè)點(diǎn)為腹板從上至下所布置測(cè)點(diǎn)。圖中0 時(shí)刻為2019 年8 月17 日0 時(shí)。

圖5 箱梁沿截面高度測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)溫度

分析圖5 可以得出在日照作用下箱梁沿截面高度混凝土溫度存在較大的溫差,在18 日20 時(shí)達(dá)到最大溫差,最大值可達(dá)7℃。箱梁腹板以下由于箱梁翼緣板的遮擋,無法受到太陽直射,所以23、24、25 號(hào)三處測(cè)點(diǎn)溫度變化幾乎一致,溫度上升速率明顯低于頂板混凝土測(cè)點(diǎn),在當(dāng)日16 時(shí)腹板混凝土溫度升至最高值,相較于頂板混凝土測(cè)點(diǎn)溫度達(dá)到最高值的時(shí)間晚大約5 至6 個(gè)小時(shí)。腹板混凝土三處測(cè)點(diǎn)溫度達(dá)到最高值的數(shù)值幾乎一致。

3.4 箱梁混凝土沿截面高度溫差分布模式

通過對(duì)上述箱梁混凝土溫度測(cè)點(diǎn)在溫度觀測(cè)周期內(nèi)的數(shù)據(jù)的分析,可以看出,頂板西側(cè)混凝土測(cè)點(diǎn)溫度變化幅度較大；箱梁腹板混凝土各溫度測(cè)點(diǎn)因翼板遮擋的影響,無法受到太陽輻射作用,在觀測(cè)周期內(nèi)的變化都較為穩(wěn)定。因此考慮將東側(cè)頂板沿板厚方向的測(cè)點(diǎn)以及沿腹板高度方向的測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)溫度來研究箱梁混凝土沿截面高度的溫差分布模式。

表1 箱梁截面最大豎向溫差表

分析混凝土箱梁溫度測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)可以得到,在2019 年8 月19 日4 時(shí)達(dá)到最大豎向溫差值,最大值可達(dá)7.31℃。通過對(duì)混凝土箱梁截面實(shí)測(cè)溫差數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合,發(fā)現(xiàn)與我國鐵道部《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10092-2017）[15]中規(guī)定的溫度梯度曲線形式相似。因此采用式（1）對(duì)混凝土箱梁沿截面高度溫差進(jìn)行數(shù)值擬合。

式中：T0為箱梁截面豎向溫度最大溫差（℃）；

T(y)為計(jì)算點(diǎn)的溫度差值；

y 為計(jì)算位置到頂板最上部距離(m)；

a 為參數(shù)。

通過最小二乘法擬合最終得到混凝土箱梁豎向溫度梯度為

由于橋址方位、箱梁截面尺寸以及地理環(huán)境氣候因素的不同,與我國現(xiàn)行鐵路規(guī)范相比,在同一水平位置所求得的溫差值小于規(guī)范要求。由此可知在不同地理環(huán)境下,混凝土箱梁豎向溫度梯度存在著明顯區(qū)別,需要做到一橋一分析。

圖6 箱梁截面溫差分布

4 結(jié)論

本文基于混凝土箱梁的實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù), 分析研究了混凝土箱形梁橋的溫度場(chǎng)分布規(guī)律, 并提出了適合該橋地區(qū)的溫度梯度模型,為現(xiàn)行規(guī)范的修訂提供合理的建議, 并為后續(xù)混凝土箱梁的溫度作用的評(píng)估與計(jì)算做好了鋪墊。主要結(jié)論如下：

4.1 混凝土箱梁在日照作用下溫度測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)與箱外遮蔭氣溫隨時(shí)間變化的規(guī)律基本一致,呈正弦曲線變化,其變化周期均為24 小時(shí)。由于受到日照作用的影響,箱梁頂板混凝土在同一時(shí)刻的氣溫均大于箱外遮蔭氣溫,最高溫可達(dá)41℃。因混凝土導(dǎo)熱系數(shù)較低,在頂板混凝土達(dá)到日最高氣溫的時(shí)刻比箱外遮蔭氣溫達(dá)到日最高值的時(shí)刻晚3 至4 個(gè)小時(shí)。

4.2 箱梁腹板與頂板混凝土在同一天變化趨勢(shì)存在差異,腹板混凝土溫度在當(dāng)日8 時(shí)左右開始上升,14 時(shí)左右溫度變化速率最快,16 時(shí)達(dá)到氣溫最高值；頂板混凝土溫度在當(dāng)日11 時(shí)左右開始上升,16 時(shí)左右溫度變化速率最快,21 時(shí)達(dá)到氣溫最高值。腹板混凝土溫度測(cè)點(diǎn)沿板厚方向日溫變化趨勢(shì)基本相同,靠近箱內(nèi)混凝土溫度測(cè)點(diǎn)日溫變化速率略高于外表面測(cè)點(diǎn)。

4.3 混凝土箱梁沿截面高度的溫差呈非線性分布,最大豎向溫差值可達(dá)7.3℃。由頂板至腹板最下部溫差分布模式可用指數(shù)函數(shù) 來描述。