混凝土橋梁設(shè)計中的溫度效應(yīng)研究

鄭雪偉

深圳市市政設(shè)計研究院有限公司杭州分公司 浙江杭州 311200

橋梁結(jié)構(gòu)處于自然環(huán)境中，受到太陽輻射以及季節(jié)性因數(shù)會使得結(jié)構(gòu)中各個部分的溫度發(fā)生變化[1]。斜拉橋為多次超靜定結(jié)構(gòu)，大多數(shù)斜拉橋的跨徑范圍一般在300m-1000m范圍，在溫度作用下，引起橋梁結(jié)構(gòu)的縱向以及豎向變形，并產(chǎn)生溫度應(yīng)力，影響橋梁的耐久性。隨著跨徑不同，斜拉橋的主梁形式分為混凝土箱梁、鋼箱梁、鋼桁梁、π型梁等形式，不同形式的主梁剛度不一樣，材料特性不一樣，溫度作用效應(yīng)也有所不同。當(dāng)前斜拉橋的修建數(shù)量越來越多，斜拉橋在溫度作用下的響應(yīng)也越來越多的受到國內(nèi)外學(xué)者的重視，從溫度場的測試，再到溫度作用下的就夠響應(yīng)。

1 橋梁溫度場內(nèi)涵

橋梁的使用功能特性決定了其使用過程中必然長期暴露在自然環(huán)境中，在外界環(huán)境溫度不斷變化時會產(chǎn)生溫度荷載。由于混凝土具有導(dǎo)熱系數(shù)小的固有特性。橋梁結(jié)構(gòu)表面溫度無法及時傳導(dǎo)至結(jié)構(gòu)內(nèi)部，在較大的溫差下，結(jié)構(gòu)內(nèi)外的脹縮不一致，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)在非線性溫度場下產(chǎn)生溫度應(yīng)力差。一般來講，自然界溫度作用主要包括：年溫變化作用，日照溫度作用和驟然降溫作用這三種主要的類型。在這三種溫度場中，日照溫度作用的影響最為顯著且變化規(guī)律也最為復(fù)雜。主要受到外界風(fēng)速、氣溫、紫外線強度、日光照射時間等方面的影響。受其影響，溫度場的變化周期短且劇烈，同時混凝土結(jié)構(gòu)表面的溫度分布也會隨著太陽照射角度不斷發(fā)生變化，意味著一天中橋梁結(jié)構(gòu)表面溫度最高的位置會隨著時間的推移不斷移動。因此，日照溫差是對橋梁結(jié)構(gòu)作用最為頻繁也是影響最大的效應(yīng)，其變化周期漫長也更有規(guī)律，通常以年均氣溫作為溫度場對混凝土結(jié)構(gòu)影響的依據(jù)[2]。

2 溫度應(yīng)力分析

在水化熱后期在頂板與腹板交接處出現(xiàn)了箱梁早期最大溫度應(yīng)力可以達到2.2MPa，交角處熱量換散困難應(yīng)力集中現(xiàn)象顯著，這與溫度場分析吻合。上頂板與腹板連接處表面形成應(yīng)力集中區(qū)域，再加上在實際使用過程中受太陽輻射的影響極易產(chǎn)生混凝土開裂現(xiàn)象。由于溫度升高，箱梁體積膨脹，沿箱梁腹板和底板內(nèi)側(cè)部位和外側(cè)形成兩個拉應(yīng)力帶，這說明由于此處板件較厚，水泥用量大，水化熱作用激烈，如果不適當(dāng)采取冷卻或散熱等防護措施，極易造成混凝土的損失和開裂。

3 混凝土橋梁溫度效應(yīng)設(shè)計要點

3.1 荷載時間及求解

計算時分析類型定義為瞬態(tài)分析類型。定義箱梁澆筑初始溫度為30℃，將箱梁水化熱、邊界熱交換寫成溫度隨時間變化的循環(huán)語句分別以體荷載，面荷載的形式施加到箱梁模型上。設(shè)定計算時間為3d，荷載子步長為1h，計算求得箱梁早期水化熱各個時刻的溫度場。然后再改變單元類型，確定混凝土的結(jié)構(gòu)材料特性，刪除所有熱載荷并施加結(jié)構(gòu)約束條件，讀入熱分析所得的溫度結(jié)果，將其作為溫度作用施加到箱梁分段上進行結(jié)構(gòu)分析，最后得到箱梁早期的溫度應(yīng)力。

3.2 混凝土橋梁橋墩結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)設(shè)計

①橋墩混凝土結(jié)構(gòu)在受溫度效應(yīng)影響的分析中，日照溫差是溫度效應(yīng)設(shè)計中需要考慮的主要因素。混凝土結(jié)構(gòu)橋墩和橋梁可以選擇的連接結(jié)構(gòu)形式很少，為對溫度效應(yīng)進行分析和研究，必須結(jié)合橋梁所在地的具體氣象情況來選擇特定的連接形式。②實際情況中，部分橋墩會處于長期浸水的狀態(tài)，在保證高要求施工的同時，不可避免地會出現(xiàn)非線性溫差應(yīng)力。因此經(jīng)過長期使用后，橋墩極易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，這對橋梁質(zhì)量和未來的運營都將造成非常惡劣的影響。③加強橋梁設(shè)計過程中的橋墩約束設(shè)計。橋梁結(jié)構(gòu)受到的約束包括：橋面板和橋墩之間的約束以及橋墩底部與地基之間的約束，因此結(jié)構(gòu)具有較強的整體性和穩(wěn)定性。在溫度場的影響下，溫度應(yīng)力會對橋墩結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較強的約束力，受其影響，橋墩可能會出現(xiàn)一定的橫向位移。

3.3 施工與養(yǎng)護溫度控制

如果在炎熱的天氣下開展混凝土澆筑施工，可以采取分層澆筑的方式去完成，每層澆筑厚度要控制在法規(guī)限定的范圍之內(nèi)，不可過厚，這樣才能夠確保澆筑物的整體散熱能力，防治出現(xiàn)裂縫，同時可以借助預(yù)埋水管的方式去降溫。對于拆模的時間也要合理調(diào)整，如果出現(xiàn)急劇降溫的情況，為了避免溫差過大，需要做好表面保溫。養(yǎng)護的主要目標(biāo)便是為了防止出現(xiàn)裂縫，降低混凝土內(nèi)外溫差，外部的覆蓋物，可選擇稻草袋或者是塑料膜等等，覆蓋層溫度需要依照科學(xué)的方式去完成計算，不能憑借主觀經(jīng)驗去進行調(diào)整。

3.4 常用保溫隔熱涂料

保溫隔熱涂料相較于板材施工更加快捷，在保證保溫隔熱功能的同時兼具了提高構(gòu)件耐久性的功效，但是缺陷在于保溫性能較泡沫板材差。因此保溫隔熱涂料常使用于年平均氣溫變化不大、高溫高濕、降水多或光照時間長的環(huán)境中。根據(jù)保溫原理不同，保溫隔熱材料可以分為：輻射型、阻隔型和反射型三大類。其中反射型材料是工程中最常見的保溫隔熱涂料[3]。

4 結(jié)語

綜上所述，在混凝土澆筑早期，混凝土體溫度上升階段，混凝土內(nèi)部沿長度方向的應(yīng)力主要為壓應(yīng)力；當(dāng)混凝土內(nèi)部溫度達到最高后開始降溫，結(jié)構(gòu)內(nèi)變形由膨脹逐漸變?yōu)槭湛s，內(nèi)力由壓應(yīng)力逐漸變?yōu)槔瓚?yīng)力；最后，混凝土內(nèi)外混凝土溫差趨于穩(wěn)定，混凝土溫度應(yīng)力也逐漸平穩(wěn)。此時溫度應(yīng)力主要受外界環(huán)境變化影響。本文從橋梁溫度場內(nèi)涵出發(fā)，分析了混凝土橋梁溫度效應(yīng)設(shè)計的四個要點，以期為未來的混凝土橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。