氣溫變化對混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的影響分析

劉 子 英

(東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040)

氣溫變化對混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的影響分析

劉 子 英

(東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040)

對混凝土橋梁結(jié)構(gòu)受氣溫變化影響的類型進(jìn)行了分析，從氣溫年變化、日變化和寒潮降溫三方面進(jìn)行了論述，提出了控制氣溫變化對混凝土橋梁結(jié)構(gòu)影響的建議，為類似的研究提供了參考依據(jù)。

氣溫變化，混凝土橋梁結(jié)構(gòu)，裂縫，耐久性

隨著橋梁結(jié)構(gòu)逐步向大跨、高聳方向發(fā)展，無論是大體積混凝土預(yù)制構(gòu)件還是整體現(xiàn)澆混凝土構(gòu)件，在橋梁上的應(yīng)用均已非常普遍?；炷翗蛄涸谧匀画h(huán)境中經(jīng)受各種氣象條件的影響，尤其是混凝土構(gòu)件的表面或內(nèi)部溫度隨時變化，而對于大體積混凝土，溫度變化不但可能引起裂縫，而且對結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)也有重要影響，有時溫度應(yīng)力在數(shù)值上可能超過其他外荷載引起的應(yīng)力。氣溫的變化是引起混凝土裂縫的重要原因之一，是計算溫度應(yīng)力及制定溫度控制措施的依據(jù)[1,2]。因此研究氣溫變化對混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的影響至關(guān)重要。

1 對混凝土橋梁產(chǎn)生影響的氣溫變化類型

對于混凝土橋梁結(jié)構(gòu)來說，氣溫變化引起的溫度應(yīng)力主要可分為三種類型：氣溫年變化、氣溫日變化和寒潮降溫引起的結(jié)構(gòu)溫度變化。其特點(diǎn)如下。

1.1 氣溫年變化

氣溫年變化引起橋梁結(jié)構(gòu)的溫度變化是長期而緩慢的，它使橋梁結(jié)構(gòu)整體發(fā)生均勻的溫度變化，所以在考慮氣溫年變化對結(jié)構(gòu)物的影響時均以平均溫度為依據(jù)，一般以最高與最低月平均溫度的變化值作為年溫變化幅度。溫度數(shù)據(jù)可在中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)上查詢獲得。

由氣溫年變產(chǎn)生的溫度應(yīng)力在全橋均有分布，作用時間長，分布較為均勻，使橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的整體位移[1]。尤其是在寒冷的北方，由于冬季氣溫很低，氣溫年變化是引起混凝土構(gòu)件表面裂縫甚至深層裂縫的重要原因[2]。

1.2 氣溫日變化

從工程應(yīng)用的角度考慮，當(dāng)橋梁的位置確定后，影響結(jié)構(gòu)日照溫度變化的主要因素是太陽輻射程度、氣溫變化和風(fēng)速，為了尋求設(shè)計溫度荷載，風(fēng)速這個因素也可以忽略，因?yàn)楫?dāng)混凝土結(jié)構(gòu)表面溫度達(dá)到最大時，風(fēng)速幾乎接近于零。這樣從設(shè)計控制溫度荷載考慮，影響橋梁結(jié)構(gòu)表面溫度的因素實(shí)際上可簡化為只有太陽輻射和氣溫變化兩個因素。

氣溫日變化主要是由太陽輻射引起的，隨著太陽輻射強(qiáng)度、入射方位角等因素的變化，混凝土溫度梯度和溫度應(yīng)力也呈現(xiàn)出瞬變特征，且在橋梁結(jié)構(gòu)上分布很不均勻，主要表現(xiàn)在：受陽光直射的范圍內(nèi)溫度變化相對明顯，由于混凝土是熱的不良導(dǎo)體，導(dǎo)致在背光一側(cè)溫度變化較慢，從而使得局部應(yīng)力較大。因此可以用實(shí)測資料的數(shù)理統(tǒng)計分析方法，求得的表面溫度計算式和沿壁板厚度的溫差曲線的計算式來確定橋梁的溫度荷載。

1.3 寒潮降溫

不論在北方還是南方，寒潮都是引起混凝土表面裂縫的重要原因[2]。在一定強(qiáng)度的冷空氣流的冷卻作用下，橋梁整體呈現(xiàn)短時的溫度變化，混凝土橋梁整體呈現(xiàn)表面溫度迅速降低而在結(jié)構(gòu)中形成內(nèi)高外低的溫度分布，使混凝土結(jié)構(gòu)的外表面產(chǎn)生較大拉應(yīng)力。相比之下，混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的表面和內(nèi)部溫度變化比日照時的結(jié)構(gòu)溫度變化要簡單一些。寒潮降溫的時間過程約為20 h，這種降溫溫度荷載較之氣溫日變化產(chǎn)生的溫度荷載變化緩慢，但作用時間長。同時，寒潮降溫作用引起的橋梁結(jié)構(gòu)降溫速度(南方地區(qū)平均降溫速度為1 ℃/h，最大降溫速度為4 ℃/h)，比日照升溫速度(10 ℃/h)要小。寒潮降溫溫度變化，一般只需考慮氣溫變化和風(fēng)速這兩個因素，可以忽略日輻射影響。

2 需要開展研究的科學(xué)問題

2.1 結(jié)構(gòu)

溫度變化的熱脹冷縮會導(dǎo)致溫度應(yīng)力的產(chǎn)生，由于各材料界面的溫差變形系數(shù)不同，使得鋼筋與混凝土界面、砂石與水泥漿界面等產(chǎn)生不同的溫差變形，導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫。溫度裂縫的產(chǎn)生不但影響到結(jié)構(gòu)的承載力和設(shè)計效果，而且對結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性也有重大影響。因此需要研究橋梁結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件的溫度梯度和溫度效應(yīng)，且由于我國幅員遼闊，氣候差異大，應(yīng)按照建筑氣候區(qū)劃來分別總結(jié)其規(guī)律。橋梁結(jié)構(gòu)的動力性能亦受氣溫變化的影響，如剛度變化、極限荷載、有溫度裂縫產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)阻尼變化、沖擊作用變化等。

溫度年變化、寒潮的影響也會帶來橋梁結(jié)構(gòu)的損傷累積，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的長期性能，包括混凝土徐變增大、耐久性退化等對混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的承載力和變形的影響，因此應(yīng)綜合考慮荷載變化以及材料短期或長期的性能變化。

2.2 材料

溫度變化對材料的力學(xué)性能有影響，通常溫度升高導(dǎo)致材料強(qiáng)度、彈性模量降低，變形加大。當(dāng)大氣溫度達(dá)到32 ℃時，混凝土表面溫度可達(dá)63 ℃；當(dāng)溫度達(dá)到40 ℃～47 ℃時，混凝土表面溫度則高達(dá)80 ℃～90 ℃[5]。這種極端氣溫雖不會經(jīng)常出現(xiàn)，但在環(huán)境持續(xù)高溫或低溫,或高低溫快速交替作用下，混凝土力學(xué)性能將有較大不同[4]。這種材料性能的變化對結(jié)構(gòu)安全性和耐久性都會產(chǎn)生影響，因此，需要研究橋梁使用環(huán)境的溫度變化范圍及短期內(nèi)溫度變化幅度，研究材料強(qiáng)度和彈性模量的變化，以及驟然降溫對混凝土材料的力學(xué)性能和耐久性問題的影響。

3 控制氣溫變化對混凝土橋梁結(jié)構(gòu)影響的建議

建議確立橋梁結(jié)構(gòu)在全壽命周期內(nèi)抵抗氣溫變化的設(shè)計理念。針對氣溫變化對混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的構(gòu)造要求進(jìn)行研究，考慮混凝土鋪裝層厚度、鋪裝方式、鋪裝材料等的具體要求；創(chuàng)新建筑材料種類，如考慮將混凝土表面吸收的內(nèi)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔転闃蛄禾峁┮归g照明，或通過混摻入外加劑或在混凝土表面涂層的方法減小混凝土的吸熱系數(shù)等。在建筑氣候分區(qū)的思想基礎(chǔ)上，完善各類規(guī)范中關(guān)于混凝土溫度梯度和溫度荷載的計算方法，為橋梁設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。在既有橋梁加固設(shè)計和安全性評價方面，建議考慮氣溫變化作用下既有橋梁的剩余承載力，合理評估橋梁的使用狀態(tài)和剩余壽命，進(jìn)一步完善橋梁檢測和監(jiān)測制度。同時，由于橋梁結(jié)構(gòu)形式不一，不斷產(chǎn)生的異形結(jié)構(gòu)增加了混凝土溫度梯度和溫度效應(yīng)的計算難度，目前對于異形結(jié)構(gòu)的溫度設(shè)計尚欠缺經(jīng)驗(yàn)。

4 結(jié)語

氣溫變化對混凝土橋梁結(jié)構(gòu)影響很大。常見的氣溫變化類型包括氣溫年變化、日變化和寒潮降溫等，氣溫年變化對混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的影響長期緩慢，在北方是導(dǎo)致混凝土表面裂縫和深層裂縫的重要原因。氣溫日變化具有瞬態(tài)特點(diǎn)，是混凝土構(gòu)件溫度場的主要影響因素，應(yīng)在建筑氣候分區(qū)的思想指導(dǎo)下，不斷改進(jìn)各項(xiàng)規(guī)范對溫度梯度和溫度荷載的計算法。寒潮降溫多引起混凝土構(gòu)件的表面裂縫。針對氣溫變化，建議采取增加鋪裝層厚度、提高建筑材料性能、優(yōu)化溫度荷載計算方法等方法來逐步解決溫度變化給混凝土橋梁結(jié)構(gòu)帶來的影響。

[1] 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.

[2] 朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制[M].北京:中國電力出版社,1999.

[3] 聶玉東.寒區(qū)大跨徑混凝土箱梁橋溫度場及溫度效應(yīng)分析[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2013.

[4] 王元豐,韓 冰.極端氣候事件對橋梁安全性的影響分析[J].土木工程學(xué)報,2009(3):76-79.

[5] 張國學(xué),劉曉航.溫度對混凝土材料性能的影響[J].華東公路,2000(1):57-58.

Effect of temperature change on concrete bridge structure

LIU Zi-ying

(Northeast Forestry University, Harbin 150040, China)

The types of temperature change on concrete bridge structure are analyzed. The effect of annual and daily change in temperature, cold wave is discussed. The suggestions on how to control the temperature change on concrete bridge structure are made， provide references for other similar research.

temperature change, concrete bridge structure, crack, durability

1009-6825(2014)31-0187-02

2014-08-24

劉子英(1980- )，女，講師，在讀博士

U441

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