福州地區(qū)混凝土箱梁腹板和底板板厚溫差試驗研究

(福州市公路局直屬分局，福州350001)

福州地區(qū)混凝土箱梁腹板和底板板厚溫差試驗研究

■游華明

(福州市公路局直屬分局，福州350001)

預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋由于其良好的受力特性而在橋梁結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用，但是在運營過程中，相當數(shù)量混凝土箱梁的頂板、腹板、底板等部位出現(xiàn)了各種形式的裂縫，研究表明，溫度應(yīng)力是引起混凝土箱梁開裂的其中一個重要原因。對混凝土箱梁溫度場的研究已開展較多，但主要集中在沿截面豎向及沿頂板板厚方向，對混凝土箱梁箱體腹板和底板沿板厚方向的溫差研究還較少。為此，本文對福州地區(qū)的1座預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁梁橋進行了為期1年的溫度觀測，在腹板和底板沿板厚方向進行了結(jié)構(gòu)溫度場的測試，積累了寶貴的溫度數(shù)據(jù)，得出了一些有益的結(jié)論。

箱梁溫度腹板底板試驗與研究

0 引言

隨著公路建設(shè)事業(yè)特別是高速公路建設(shè)的迅猛發(fā)展，預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁(以下簡稱混凝土箱梁)橋由于其良好的受力性能和維修簡便的特點而得到了廣泛的應(yīng)用[1]。但是在運營過程中，相當數(shù)量混凝土箱梁的腹板、頂板、底板、橫隔板以及齒板等部位出現(xiàn)了各種形式的裂縫，裂縫的存在對結(jié)構(gòu)的耐久性、安全度和正常使用都會產(chǎn)生十分不利的影響[2-5]。引起箱梁開裂的原因很復(fù)雜，尚未完全探明，但是有關(guān)研究表明，溫度應(yīng)力是引起混凝土箱梁開裂的其中一個重要因素[6-7]。

試驗觀測是研究混凝土箱梁溫度場的一個重要手段，但大部分學者[8-15]對對混凝土箱梁的溫度場試驗方面的研究主要局限于箱梁截面溫度分布的研究，康為江、袁建偉[16-17]等人雖然對箱梁板厚方向的溫度場進行了試驗觀測，但也主要是針對頂板和底板板厚方向，對腹板板厚方向并沒有進行深入研究。因此，本文對福州地區(qū)的一座預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋的腹板和底板進行了為期1年的實橋溫度觀測，以期得到一些有益的結(jié)論。

1 工程概況

鰲峰大橋是福州市內(nèi)跨越閩江的一座8跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋，橋梁方位角為北偏東12°。鰲峰大橋全長500.90m，主橋橋式為8孔預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁，跨徑為40.45m+6×70m+40.45m，主橋上部構(gòu)造主梁為雙箱單室箱形梁，兩箱完全對稱。兩箱單獨施工，中間預(yù)留50cm濕接頭，各自形成八跨連續(xù)梁后再把兩箱聯(lián)接起來。結(jié)構(gòu)采用三向預(yù)應(yīng)力體系，主梁混凝土設(shè)計標號為C50，橋面鋪裝層為8cm厚C30混凝土鋪裝層。鰲峰大橋總體布置圖與實橋照片分別見圖1和圖2。

圖1 福州鰲峰大橋總體布置圖(單位：cm)

圖2 福州鰲峰大橋?qū)崢蛘掌瑘D

2 溫度場現(xiàn)場試驗

現(xiàn)場試驗選用長沙金碼高科技實業(yè)有限公司研制的JMT-36C溫度傳感器、JMWT-64型溫度自動采集儀、JMZX-2007型無線收發(fā)模塊進行溫度數(shù)據(jù)的測量和采集，試驗裝置見圖3。

圖3 溫度測量與采集裝置

本試驗利用實橋左箱梁腹板和底板上的通風孔進行溫度傳感器的布設(shè)，布設(shè)后灌注與主梁同標號混凝土。為了反映太陽輻射對箱梁截面的影響，以及太陽輻射對沿橋梁縱向不同尺寸箱梁截面的作用效果,選擇了兩個箱梁截面布置溫度測點，分別是第2跨的1/4跨截面(I-I截面)和1/2跨截面(II-II截面)進行測量，觀測截面位置如圖4所示。在兩個截面箱梁東西側(cè)腹板各等間距布設(shè)10個溫度傳感器，底板也等間距布設(shè)10個溫度傳感器，并在箱梁橋面、腹板和底板的外側(cè)和箱梁內(nèi)側(cè)均布置了1個測試環(huán)境溫度的傳感器，截面測點布設(shè)見圖5和圖6。

圖4 箱梁溫度觀測截面布置圖(單位：cm)

3 溫度測試結(jié)果分析

對福州鰲峰大橋的溫度觀測是從2010年4月1日開始，直至2011年3月31日結(jié)束，觀測間隔是1h。期間除去數(shù)次更換設(shè)備電池的間隔，本試驗一共采集了345天、8280小時的溫度數(shù)據(jù)，

3.1 沿橋梁縱向的溫度分布研究

國內(nèi)外大量研究表明[16,18,19]，混凝土箱梁橋無論是受到太陽輻射的影響導(dǎo)致箱梁溫度升高，還是受到寒流和大氣流動等其他因素的影響導(dǎo)致箱梁溫度下降，除了在箱梁端部范圍內(nèi)溫度會有明顯的變化外，其余沿箱梁體縱向的溫度分布是均勻的。

圖5 I-I截面測點布設(shè)圖

圖6 II-II截面測點布設(shè)圖

本文為了驗證箱梁溫度分布是否沿箱梁縱向也是一致，選取了如圖4所示的I-I截面和II-II截面進行對比分析，圖7示出了2010年8月2日的箱梁腹板和底板對應(yīng)位置的測點溫度變化規(guī)律的比較。

由圖7看出，腹板和底板對應(yīng)位置的測點的溫度變化規(guī)律十分吻合，腹板溫度差值不超過±0.9℃，底板溫度差值不超過±0.5℃。上述結(jié)果表明箱梁沿橋梁縱向的溫度分布是均勻的，可以認為，在誤差許可范圍內(nèi)，沿橋梁縱向的溫度分布是一致的。在進行箱梁溫度場分析時，可將復(fù)雜的三維溫度場轉(zhuǎn)化為較為簡單的二維溫度場來進行處理分析，這在工程精度上可行的。

3.2 對全年觀測結(jié)果的一般性分析

圖7 2 0 1 0年8月2日對應(yīng)測點溫度變化對比

圖8為腹板和底板沿板厚方向溫差的全年觀測結(jié)果。其中，正溫差溫度分布指的是箱外溫度較箱內(nèi)溫度高的箱梁溫度分布情況，負溫差溫度分布指的是箱外溫度較箱內(nèi)溫度低的箱梁溫度分布情況，而零溫差溫度分布指的是箱外溫度與箱內(nèi)溫度基本處于一致的箱梁溫度分布情況。

由圖8可以看出，箱梁腹板和底板沿板厚方向日最大溫差全年變化趨勢基本一致。對于日最大正溫差分布，全年無明顯季節(jié)性分布，溫差范圍主要處于0～+5℃之間，其中2010年4月19日、2010年4月20日、2010年8月2日、2010年8月10日、2011年3月20日這5天的日最大正溫差較明顯，均超過了+4℃，最不利日正溫差出現(xiàn)在2010年8月2日，腹板正溫差達到+4.9℃，底板正溫差達到+4.8℃；

對于日最大負溫差分布，全年同樣無明顯季節(jié)性分布，溫差范圍主要處于-5～0℃之間，其中2010年4月2日、2010年4月22日、2010年12月15日、2010年12月16日、2011年3月15日這5天的日最大負溫差較明顯，均小于-3.5℃，最不利日最大負溫差出現(xiàn)在2010年12月16日，腹板負溫差達到-4.9℃，底板負溫差達到-4.6℃。

3.3 對全年最大溫差出現(xiàn)條件的一般性分析

圖8 腹板和底板沿板厚方向溫差的全年性觀測結(jié)果

為了研究產(chǎn)生腹板和底板沿板厚方向最不利溫差出現(xiàn)的環(huán)境條件，表1示出了上述日最大正溫差超過4℃以及日最大負溫差小于-3.5℃的觀測日的環(huán)境狀況，同時為了增強對比性，表中增添了溫差在±1℃內(nèi)的5個觀測日的環(huán)境狀況，即對箱梁幾乎不產(chǎn)生影響的溫度分布的環(huán)境狀況。觀測日的大氣氣溫是由布置的溫度傳感器采集得到，觀測日的風速和太陽輻射資料則是從福建省氣象站獲取。

由表1可以看出，對于箱梁腹板和底板沿板厚方向的最大正溫差分布，一般出現(xiàn)在太陽輻射強烈，大氣溫度上升明顯，風速較小，且為陰雨天過后的晴天天氣；對于箱梁腹板和底板沿板厚方向的最大負溫差分布，一般出現(xiàn)在太陽輻射微弱，大氣降溫幅度較大，風速較大的陰雨天天氣；對于箱梁腹板和底板沿板厚方向的零溫差分布，一般出現(xiàn)在太陽輻射微弱，且大氣溫度變化幅度不明顯的陰雨天天氣。

表1 選取觀測日的環(huán)境狀況

3.4 三種典型溫度分布分析

根據(jù)全年觀測結(jié)果，最不利正溫差分布可以取2010年8月2日的溫度分布形式進行分析，最不利負溫差分布可以取2010年12月16日的溫度分布形式進行分析,而零溫差分布可以取2010年10月18日的溫度分布形式進行分析。

3.4.1 最不利正溫差分析

2010年8月2日天氣狀況是晴天，太陽輻射強烈，箱梁截面溫度主要受太陽輻射的影響。腹板由于箱梁翼緣的遮擋作用全白天基本處于陰影中，僅受到太陽散射和地面反射的作用；箱梁底板全天只受到地面反射的影響。圖9示出了I-I截面和II-II截面東西側(cè)腹板及底板測點的溫度變化規(guī)律。

圖9 8月2日東西側(cè)腹板和底板溫度變化

從圖9可以看出，在6:00以前，箱梁沒有受到太陽輻射的影響，大氣溫度變化幅度較小，腹板和底板測點溫度沒有明顯變化；在6:00～18:00之間，箱梁受到太陽輻射和周圍大氣溫度升高的影響，腹板和底板測點的溫度均有所升高，在14:00時，腹板和底板外表面的溫度達到最大值；此后，太陽輻射強度逐漸減小到零，大氣溫度有所降低，所以靠近腹板和底板外表面測點溫度開始下降，逐漸趨于平緩?？拷拱搴偷装鍍?nèi)表面測點的溫度由于受外界影響小，全天溫度處于緩慢的上升狀態(tài)。在太陽輻射作用下，越靠近箱外，溫度變化越劇烈，越靠近箱內(nèi)，溫度變化越緩和，腹板和底板沿板厚方向的正溫差分布明顯。在14:00時，東西側(cè)腹板和底板的正溫差均達到最大，分別為4.8℃、4.9℃和4.8℃，以上分析表明：最不利正溫差出現(xiàn)在午間太陽輻射強烈，外表面溫度達到最大時。

3.4.2 最不利負溫差分析

2010年12月16日的天氣狀況是陰雨天，太陽輻射很弱，全天24h氣溫有明顯下降，最低溫度下降到5℃以下，屬于典型的寒潮降溫天氣。由于太陽輻射很弱，箱梁主要是以與外界空氣發(fā)生對流、熱輻射交換為主，箱梁截面溫度分布主要受寒潮降溫的影響。圖10示出了I-I截面和II-II截面東西側(cè)腹板及底板測點的溫度變化規(guī)律。

從圖10可以看出，在10:00以前和16:00以后，箱梁主要受寒潮降溫的影響，腹板和底板測點溫度下降幅度較大。在10:00～16:00之間，大氣的氣溫有所回升，箱梁外表面與大氣的對流換熱使腹板和底板測點溫度下降幅度有所減小。在寒潮降溫的影響下，靠近箱外表面的測點溫度較靠近箱內(nèi)表面的測點溫度變化劇烈，腹板和底板沿板厚方向的負溫差分布明顯。在9:00時，東西側(cè)腹板和底板的負溫差均達到最大，分別為-4.9℃、-4.5℃和-4.6℃，以上分析表明：最不利負溫差出現(xiàn)在寒潮降溫后，氣溫回升前，外表面溫度達到最低時。

3.4.3 零溫差分析

2010年10月18日的天氣狀況是陰雨天，太陽輻射很弱，全天24h氣溫無明顯變化。由于太陽輻射很弱，箱梁主要是以與外界空氣發(fā)生對流、熱輻射交換為主。圖10～圖11分別示出了I-I截面和II-II截面左箱東西側(cè)腹板及底板測點的溫度變化規(guī)律。

從圖10和圖11可以看出，全天24h腹板和底板測點溫度的變化幅度較小，測點溫度基本處于22..5℃～24.5℃之間，且全天箱梁腹板和底板的正負溫差均很小，僅在±1℃以內(nèi)，可認為此時腹板和底板的溫度分布近似于零溫差分布。

4 結(jié)語

(1)以福州地區(qū)的鰲峰大橋為對象，進行了為期1年的溫度觀測，積累了較寶貴的數(shù)據(jù)，對研究混凝土箱梁的溫度分布提供了重要的數(shù)據(jù)支撐。

圖10 1 2月1 6日東西側(cè)腹板和底板溫度變化

圖1 1 1 0月1 8日東西側(cè)腹板和底板溫度變化

(2)沿混凝土箱梁縱向兩個截面上對應(yīng)位置測點的溫度對比表明：對應(yīng)位置測點的溫度變化規(guī)律十分吻合，最大差值不超過±0.9℃,證明了箱梁沿橋梁縱向的溫度分布是基本一致的，可近似將復(fù)雜的三維溫度場轉(zhuǎn)化為較為簡單的二維溫度場來進行處理分析。

(3)腹板和底板全年溫度數(shù)據(jù)的對比結(jié)果表明：腹板最大正溫差達到+4.9℃，底板最大正溫差達到+4.8℃；腹板最大負溫差達到-4.9℃，底板最大負溫差達到-4.6℃，均不容忽視。

(4)全年最大溫差出現(xiàn)條件的一般性分析表明：最大正溫差分布一般出現(xiàn)在太陽輻射強烈，大氣溫度上升明顯，風速較小，且為陰雨天過后的晴天天氣；最大負溫差分布一般出現(xiàn)在太陽輻射微弱，大氣降溫幅度較大，風速較大的陰雨天天氣；零溫差分布一般出現(xiàn)在太陽輻射微弱，且大氣溫度變化幅度不明顯的陰雨天天氣。

(5)三種典型溫度分布分析表明：最不利正溫差出現(xiàn)在午間太陽輻射強烈，外表面溫度達到最大時；最不利負溫差出現(xiàn)在寒潮降溫后，氣溫回升前，外表面溫度達到最低時。

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