典型箱梁溫度場分布規(guī)律的現(xiàn)場測試及分析

盛術(shù)學(xué)

(1.中鐵十三局集團(tuán)公司第四工程有限公司;2.東北林業(yè)大學(xué))

1 引 言

從 20世紀(jì) 60年代以來,預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁發(fā)展極快,是預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的主要截面形式,但在國內(nèi)外的橋梁中,常出現(xiàn)有一些嚴(yán)重裂縫。產(chǎn)生裂縫的原因是多方面的,但溫度應(yīng)力對橋梁的危害受到國內(nèi)外研究工作者的重視。自 20世紀(jì) 60年代以來,國外由于溫度效應(yīng)而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)嚴(yán)重裂損事故并不少見;在國內(nèi),也有多座箱形梁橋發(fā)生了裂縫。這些裂縫的出現(xiàn)與設(shè)計時沒有充分考慮溫差應(yīng)力有密切關(guān)系。試驗研究表明,箱梁某些部位的溫差應(yīng)力比荷載應(yīng)力還大,這成為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁發(fā)生裂縫的主要原因。盡管國內(nèi)外自 20世紀(jì) 60年代已經(jīng)開始溫度效應(yīng)研究,但關(guān)于箱梁溫度場的計算模式和相應(yīng)研究工作,一直以來就是研究的熱點。因此,對混凝土箱梁溫度效應(yīng)做深入、細(xì)致的研究是有必要的。

武漢市地處我國東部沿海向內(nèi)地過渡地帶,地處中緯度。屬亞熱帶濕潤性季風(fēng)氣候,具有冬寒夏暖、夏季多高溫、冬季少雪、冬夏交替明顯,春濕秋旱、夏季多雨、冬夏長,春秋短四季分明的特征。在武漢地區(qū)的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁建設(shè)中,結(jié)合工程建設(shè),通過現(xiàn)場測試,研究該地區(qū)箱梁溫度場的變化規(guī)律對工程建設(shè)具有重要的意義。

2 溫度荷載測試

2.1 混凝土箱形結(jié)構(gòu)溫度分布

橋梁結(jié)構(gòu)因自然條件變化而引起的溫度差效應(yīng)主要可歸納為日照、降溫、年溫度變化等三個原因。年溫差是指常年緩慢變化的年氣溫,它對結(jié)構(gòu)的影響主要導(dǎo)致橋梁的縱向位移,一般通過橋面伸縮縫、支座位移或柔性橋墩等構(gòu)造措施相協(xié)調(diào),只有在結(jié)果的位移受到限制時才會引起溫度次內(nèi)力,例如在拱橋、剛架結(jié)構(gòu)及某些斜拉橋結(jié)構(gòu)中。日照輻射及寒冷驟然降溫屬于局部溫度影響,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)溫度次內(nèi)力或溫度次應(yīng)力是產(chǎn)生結(jié)構(gòu)裂縫的主要因素。以往在設(shè)計中未能考慮完善,現(xiàn)在,各國規(guī)范,包括我國規(guī)范都規(guī)定了溫度應(yīng)力計算的相應(yīng)條文。

梁段因外界自然條件變化引起的內(nèi)部和表面溫度變化稱之為該梁段的溫度荷載。而混凝土結(jié)構(gòu)物內(nèi)部的溫度場是確定溫度荷載的關(guān)鍵。采用不同的溫度場模式進(jìn)行計算得到的箱內(nèi)溫度應(yīng)力值相差很大,甚至可能是異號,因此應(yīng)當(dāng)根據(jù)結(jié)構(gòu)物所處的當(dāng)?shù)貤l件,選擇合理的溫度場模式以確保結(jié)果的抗裂性;要想精確求解溫度應(yīng)力就必須先精確地表述溫度分布,然后借助于力學(xué)理論求解溫度荷載對混凝土結(jié)構(gòu)的效應(yīng)。為求得理想的溫度場,太陽輻射下混凝土箱梁溫度分布的現(xiàn)場觀測與數(shù)據(jù)分析是首要的,也是關(guān)鍵的一步。

2.2 箱形梁溫度傳感器埋設(shè)

武漢市軌道交通一號線二期工程區(qū)間及車站土建第八標(biāo)是武漢市軌道交通一號線二期工程區(qū)間及車站,線路從二七路(不含二七路站)高架至丹水池(含丹水池站),里程范圍為 EK2+018～EK4+338,線路長度 2.32km,高架車站兩座,分別為徐州新村站(EK2+773)及丹水池站(EK4+303)。梁跨度類型有 25m、30m、40m。25m跨簡支梁有單線、雙線箱梁;30m跨度簡支梁有雙線箱梁。25m、30m梁高為 1.8m,梁的高跨比為1/16.67。40m為雙線單箱梁,梁高 2.4m。連續(xù)箱梁的孔跨組合 35+50+35m、3×25m、40+60+40m共 3聯(lián)。

以在建武漢市輕軌交通一號線二期工程典型預(yù)應(yīng)力箱梁,在箱梁典型部位的截面內(nèi)埋設(shè)溫度傳感器。

3 預(yù)應(yīng)力箱形梁溫度場測試結(jié)果及分析

箱梁溫度場觀測選在有代表性的天氣進(jìn)行,選一個陰天和一個晴天進(jìn)行觀測。一天中的觀測時間安排如下:從早晨6∶00開始,1h1次,直到晚上 8∶00為止。經(jīng)過理論分析計算和實際觀測,在下午 15∶00左右,箱梁溫度達(dá)到最大值。15∶00測得的箱梁特征點溫度列于表 1。

表 1 預(yù)應(yīng)力箱梁關(guān)鍵點溫度觀測值

由觀測數(shù)據(jù)的分析可見:沿橋梁縱向,除了箱梁頂板的溫度變化相對較大外,腹板和底板的溫度變化很小,故沿縱向可以視為一致,從而箱梁的三維溫度場簡化為二維溫度場,即沿箱梁橫向和豎向。

由于影響頂板溫度的主要因素就是太陽輻射,左、右幅受太陽輻射的強度基本一致,所以左、右相同位置處的溫度大體相同。圖 1給出了箱梁頂板典型觀測數(shù)據(jù),由圖可見:箱梁頂板表面是受太陽輻射時間最長的部位,也是輻射最劇烈的部位。因此頂板的溫度變化最劇烈,在近表面在下午 15∶00點達(dá)到最高,而由于混凝土的熱傳導(dǎo)滯后性,頂板中間溫度上升速度比上表面緩慢的多且最高溫度較表面也低。兩者間最大溫差發(fā)生在14∶00達(dá)到 11.9℃。對于同一幅橋,頂板橫向溫差最大達(dá) 3.2℃。這主要是由于箱梁兩側(cè)的懸臂部位和箱室頂板處所處的熱交換條件的邊界情況差異很大。懸臂部位的翼緣板完全處于大氣中,下側(cè)除了受地面反射還與周圍的空氣發(fā)生對流換熱和熱輻射換熱,而箱室頂板下側(cè)則只與箱內(nèi)空氣發(fā)生對流換熱和熱輻射換熱,而箱內(nèi)溫度變化較小且風(fēng)速幾乎為零,故閉合箱室上的頂板溫度和翼緣板處頂板的溫度有差異。腹板外表面受到太陽直射、散射、反射的多重影響,但其強度與頂板比相對較低,左、右幅橋平行設(shè)置,可以相互遮擋,加之箱梁具有較長的翼緣板。同一觀測時間左、右幅腹板的溫度基本相同,但由于路線中心線兩側(cè)的腹板受到翼緣板的相互遮擋,其溫度較另一側(cè)略低。

圖1 預(yù)應(yīng)力箱梁頂板溫度變化曲線

圖 2給出了箱梁底板典型觀測數(shù)據(jù)圖,由圖可見:底板的溫度變化相對于箱梁頂板表面總體上要平緩的多,升溫幅度也不大,僅為 3.1℃。由于底板的溫度主要受到地面反射作用,加之沙銀溝大橋地表裸露,無植被覆蓋,才會出現(xiàn)在13∶00以后底板的溫升加劇,直到 19∶00才趨于平緩。底板終日不受日照,所以太陽輻射對它影響不大,底板外表面主要受到地面反射作用。同一觀測時間左、右幅底板的溫度基本相同,橫向溫差很小,最大溫差為 1.3℃。底板靠近腹板外表面處受到腹板表面溫度的影響,溫度比中間部分略高。

圖 2 預(yù)應(yīng)力箱梁底板溫度變化曲線

圖 3給出了箱梁測點 1～測點 4典型觀測數(shù)據(jù)圖,由圖3可見:測點 1～測點 4由箱梁腹板內(nèi)表面向外表面布置在內(nèi)側(cè)腹板中,腹板外表面受到太陽直射、散射、反射的多重影響,溫度是由測點 1向測點 4傳遞?？梢钥吹教幵诟拱逋獗砻娴臏y點 1溫度最高。但從總體來看,在半梁高處中央位置腹板上的測點在整個觀測過程內(nèi)溫度值都很穩(wěn)定,變化幅度在 2℃以內(nèi)。

圖 3 預(yù)應(yīng)力箱梁內(nèi)側(cè)腹板溫度變化曲線

圖4 預(yù)應(yīng)力箱梁溫度場的分布

圖 4給出了從早晨 9∶00開始,1h1次,直到晚上 19∶00對箱梁的溫度場進(jìn)行了觀測數(shù)據(jù)。由圖 4可見:箱梁截面在日照影響下存在非線形的豎向溫度梯度,頂板在太陽直射的影響下溫度急劇上升,隨后底板及腹板均有不同程度的上升。隨太陽輻射強度逐漸增強,箱梁豎向溫度梯度在下午15∶00左右達(dá)到最大,這與已有的研究成果相符,此時頂板升溫值將近 16.8℃,且頂板溫度梯度形式與現(xiàn)行的中國公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范(JTGD60-2004)中規(guī)定的溫度梯度基本類似。

4 結(jié) 論

以在建武漢輕軌一號線典型箱梁為工程背景,通過現(xiàn)場實測,分析了武漢地區(qū)典型預(yù)應(yīng)力箱梁溫度場的變化,通過實測數(shù)據(jù)可以得出如下結(jié)論。

(1)武漢地區(qū)預(yù)應(yīng)力箱梁的溫度梯度與現(xiàn)行規(guī)范中的存在差異,地域差異性和橋位朝向?qū)囟鹊膶崪y數(shù)據(jù)都有影響。

(2)由于混凝土本身的導(dǎo)熱性能較差,在太陽輻射和大氣溫度的升高過程中導(dǎo)致其內(nèi)部溫度變化的明顯滯后,形成非線性分布的溫度狀態(tài),但這種滯后性在混凝土箱形主梁的縱向溫度差異性不明顯;在梁高及腹板厚度方向則表現(xiàn)明顯,并且有明顯的地域性差異。

(3)武漢地區(qū)混凝土箱形梁的最高溫差外腹板出現(xiàn)在10∶30左右,內(nèi)翼緣板出現(xiàn)在 14∶30左右。其主梁在梁高和梁寬方向上的溫差分布近似為指數(shù)形式,與鐵路規(guī)范的溫差分布模式基本一致。

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