溫度場對混凝土橋梁的影響研究

(重慶交通大學(xué) 重慶 400074)

一、引言

長期暴露在自然環(huán)境中斜拉橋的斜拉橋，無時(shí)無刻不受到日照、驟然降溫、風(fēng)等氣候因素的作用。由文獻(xiàn)可知這些因素一方面產(chǎn)生銹蝕、滲透作用，直接影響結(jié)構(gòu)的耐久性：另一方面通過改變體系或結(jié)構(gòu)的溫度分布，產(chǎn)生由溫度變化和溫度分布不均勻而生成的溫度內(nèi)力，有時(shí)這種溫度內(nèi)力達(dá)到甚至超過了恒載或活載產(chǎn)生的內(nèi)力，嚴(yán)重影響橋梁的安全性和穩(wěn)定性。

混凝土橋梁因受氣候條件的變化而產(chǎn)生的溫度場效應(yīng)主要可歸納為日照、驟然降溫、年溫度變化等三個(gè)方面的影響。年溫度變化指的是常年緩慢變化的年氣溫過程，此時(shí)結(jié)構(gòu)的溫度場可以看作均勻分布。由日照輻射和寒流導(dǎo)致的驟然降溫，屬于局部時(shí)刻溫度影響，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)各部分的溫度差異和截面的不均勻溫度分布，從而產(chǎn)生溫度內(nèi)力和溫度應(yīng)力，也是產(chǎn)生橋梁結(jié)構(gòu)裂縫的最主要因素。而日照主要影響因素是太陽輻射，會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生“背日葵”效應(yīng)，從而引起結(jié)構(gòu)的變形。所以溫度場對混凝土橋梁的影響亟需要研究。

二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

(一)國外研究

國外對溫度場的研究最初是從上世紀(jì)中葉開始的。起初，溫度研究都是假定溫度沿梁高為線性分布，研究氣溫、風(fēng)速、太陽輻射等參數(shù)對溫度分布的影響。美國zuk[1](20 世紀(jì)60 年代)指出氣溫、風(fēng)、太陽輻射和材料種類會影響橋梁的溫度分布，并在實(shí)橋觀測的基礎(chǔ)上，用線性溫度分布分析結(jié)合梁的溫度應(yīng)力。英國Emerson[2](20世紀(jì)60年代)提供了基于一維熱流模型的研究結(jié)果，內(nèi)容包括幾個(gè)重要參數(shù)對溫度分布的影響及溫度分布的形式。研究表明，太陽輻射是最首要的影響因素，太陽輻射能量引起的溫度變化主要取決于發(fā)射率和物體表面吸收系數(shù)，但發(fā)射率對接收到的輻射量的影響較??；第二個(gè)重要參數(shù)是風(fēng)速，它直接影響著物體表面的熱對流系數(shù)。之后，許多學(xué)者開始對非線性溫度場進(jìn)行研究，對非線性溫度場的分布模式進(jìn)行了大量的研究。

(二)國內(nèi)研究

國內(nèi)對于溫度場和溫度應(yīng)力的研究始于20世紀(jì)50年代末。主要研究內(nèi)容可以概括為溫度分布的研究、溫度模式的簡化以及溫度效應(yīng)的計(jì)算。七十年代以后，以劉興法[3]為代表的一大批學(xué)者對預(yù)應(yīng)力混凝上箱梁橋溫度應(yīng)力進(jìn)行了深入的研究，并取得了一系列重要的成果，使箱梁溫度應(yīng)力計(jì)算理論逐步完善起來。劉興法結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的論述了混凝土結(jié)構(gòu)在溫度作用下的計(jì)算理論與方法。對混凝土結(jié)構(gòu)日照溫度作用、降溫作用進(jìn)行了分析，將箱梁的溫度場簡化為二維溫度場，按疊加豎向和橫向的一維溫度場的計(jì)算方法計(jì)算溫度應(yīng)力，此方法被鐵道部于1984年6月納入鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范(TBJ2-85)。上海城市建設(shè)學(xué)院對混凝土斜拉橋橋塔的溫度場作了研究，運(yùn)用富里埃傳導(dǎo)理論，建立了混凝土斜拉橋結(jié)構(gòu)的溫度場的二維差分方法，將溫度影響的計(jì)算簡化為短期溫差和長期溫差作用下的控制溫度荷載的計(jì)算問題。近幾十年來，隨著我國交通事業(yè)的快速發(fā)展，越來越多的學(xué)者對溫度場及溫度效應(yīng)問題進(jìn)行研究。

葉見曙[4](2002)對南京二橋北漢主橋大跨度連續(xù)箱梁橋進(jìn)行溫度場觀測，分析認(rèn)為溫度分布可用指數(shù)函數(shù)表示。

郭棋武[5](2002)在武漢市江漢四橋施工過程中進(jìn)行了溫度分布觀測。在實(shí)測資料的基礎(chǔ)上對溫差公式進(jìn)行參數(shù)識別，將理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)測資料進(jìn)行比較，驗(yàn)證了非線性溫度梯度模式的合理性。

(三)研究目標(biāo)

(1)探討溫度場的影響因素。

(2)探討溫度場的分類和特點(diǎn)。

(3)借鑒國內(nèi)外對橋梁溫度場的研究分析溫度場對混凝土的橋梁的不利影響及解決措施。

三、溫度場分類和特點(diǎn)

(一)日照溫度荷載

橋梁結(jié)構(gòu)的同照溫度變化復(fù)雜，影響囡素也眾多，主要包括以下幾個(gè)方面：太陽的直接輻射、日照強(qiáng)度、天空輻射、地面反射、風(fēng)速、氣溫變化以及地理位置、方位和結(jié)構(gòu)物壁板的朝向、所處地的地形地貌條件等。因此，日照溫度變化引起工程結(jié)構(gòu)的表面和內(nèi)部溫度變化是一個(gè)隨機(jī)變化的量。結(jié)構(gòu)表面溫度變化具有十分明顯的諧波曲線特性。其中不僅有太陽輻射引起的局部性，而且有混凝土的不均勻熱傳導(dǎo)性。因而難以直接求得其函數(shù)解，只能進(jìn)行近似的數(shù)值解。

(二)驟然降溫溫度荷載

驟然降溫溫度變化可分為兩種情況：一是工程結(jié)構(gòu)在冷空氣侵襲作用下，結(jié)構(gòu)外表面迅速降溫，結(jié)構(gòu)中形成內(nèi)高外低的溫度分布狀態(tài)；二是日照降溫，由于日落等因素的影響導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)外表面的溫度急速下降，橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度幾乎沒有變化，因而形成比較大的內(nèi)高外低的溫差狀態(tài)。這兩種降溫溫度變化，一般只要考慮風(fēng)速和氣溫變化這兩個(gè)因素，而忽略日照輻射影響。

(三)年溫度荷載

混凝土橋梁，由于年溫變化是長期而緩慢作用的，使得橋梁結(jié)構(gòu)整體發(fā)生比較均勻的溫度變化。所以，在考慮年溫溫度變化對混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的影響時(shí)，一般都以混凝土橋梁的平均溫度為依據(jù)。一般規(guī)定以最高和最低的月平均氣溫的變化量作為年溫變化幅度。

四、溫度場對混凝土橋梁的影響及措施

(一)不利影響

在日照溫度、驟然降溫等環(huán)境因素作用下混凝土結(jié)構(gòu)可能會出現(xiàn)裂縫，長久情況下因?yàn)榛炷習(xí)艿綔囟刃?yīng)的影響，如果溫度過高，混凝土材料會發(fā)生膨脹情況，導(dǎo)致混凝土橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，最終在混凝土橋梁表面出現(xiàn)裂縫情況，同時(shí)如果溫度過低，混凝土就會出現(xiàn)收縮反應(yīng)，從而在橋梁結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生一定的收縮應(yīng)力，收縮應(yīng)力如果長期在橋梁結(jié)構(gòu)中進(jìn)行作用，就會導(dǎo)致橋梁整體出現(xiàn)變形的情況。如果白天和夜晚溫度差值較大，橋梁結(jié)構(gòu)就會因?yàn)闀円箿夭畛霈F(xiàn)疲勞反應(yīng)，降低橋梁的使用壽命。如果混凝土橋梁表面長期在集中應(yīng)力作用下，就會降低混凝土橋梁的結(jié)構(gòu)性能，最終使混凝土橋梁的穩(wěn)定性和安全性遭到破壞。

(二)解決措施

綜上所述，如何有效防止溫度效應(yīng)對橋梁結(jié)構(gòu)的影響是橋梁設(shè)計(jì)中首先考慮的問題，從而有效保障混凝土橋梁的安全性和穩(wěn)定性。在混凝土橋梁設(shè)計(jì)中應(yīng)該分析橋墩溫差效應(yīng)、溫差應(yīng)力非線性分布問題、橋面及墩地固定的約束力等，從而提高混凝土橋梁抗溫度效應(yīng)的能力，提高橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和使用期限。

(1)在混凝土橋梁表面涂一層抗太陽輻射的涂料或者降低溫度影響的涂料。

(2)避免在最不利溫差的條件下進(jìn)行施工。