典型箱梁温度场分布规律的现场测试及分析

盛术学

(1.中铁十三局集团公司第四工程有限公司;2.东北林业大学)

1 引 言

从 20世纪 60年代以来,预应力混凝土箱梁发展极快,是预应力混凝土桥梁的主要截面形式,但在国内外的桥梁中,常出现有一些严重裂缝。产生裂缝的原因是多方面的,但温度应力对桥梁的危害受到国内外研究工作者的重视。自 20世纪 60年代以来,国外由于温度效应而导致混凝土结构严重裂损事故并不少见;在国内,也有多座箱形梁桥发生了裂缝。这些裂缝的出现与设计时没有充分考虑温差应力有密切关系。试验研究表明,箱梁某些部位的温差应力比荷载应力还大,这成为预应力混凝土箱梁发生裂缝的主要原因。尽管国内外自 20世纪 60年代已经开始温度效应研究,但关于箱梁温度场的计算模式和相应研究工作,一直以来就是研究的热点。因此,对混凝土箱梁温度效应做深入、细致的研究是有必要的。

武汉市地处我国东部沿海向内地过渡地带,地处中纬度。属亚热带湿润性季风气候,具有冬寒夏暖、夏季多高温、冬季少雪、冬夏交替明显,春湿秋旱、夏季多雨、冬夏长,春秋短四季分明的特征。在武汉地区的预应力混凝土箱梁建设中,结合工程建设,通过现场测试,研究该地区箱梁温度场的变化规律对工程建设具有重要的意义。

2 温度荷载测试

2.1 混凝土箱形结构温度分布

桥梁结构因自然条件变化而引起的温度差效应主要可归纳为日照、降温、年温度变化等三个原因。年温差是指常年缓慢变化的年气温,它对结构的影响主要导致桥梁的纵向位移,一般通过桥面伸缩缝、支座位移或柔性桥墩等构造措施相协调,只有在结果的位移受到限制时才会引起温度次内力,例如在拱桥、刚架结构及某些斜拉桥结构中。日照辐射及寒冷骤然降温属于局部温度影响,导致结构温度次内力或温度次应力是产生结构裂缝的主要因素。以往在设计中未能考虑完善,现在,各国规范,包括我国规范都规定了温度应力计算的相应条文。

梁段因外界自然条件变化引起的内部和表面温度变化称之为该梁段的温度荷载。而混凝土结构物内部的温度场是确定温度荷载的关键。采用不同的温度场模式进行计算得到的箱内温度应力值相差很大,甚至可能是异号,因此应当根据结构物所处的当地条件,选择合理的温度场模式以确保结果的抗裂性;要想精确求解温度应力就必须先精确地表述温度分布,然后借助于力学理论求解温度荷载对混凝土结构的效应。为求得理想的温度场,太阳辐射下混凝土箱梁温度分布的现场观测与数据分析是首要的,也是关键的一步。

2.2 箱形梁温度传感器埋设

武汉市轨道交通一号线二期工程区间及车站土建第八标是武汉市轨道交通一号线二期工程区间及车站,线路从二七路(不含二七路站)高架至丹水池(含丹水池站),里程范围为 EK2+018～EK4+338,线路长度 2.32km,高架车站两座,分别为徐州新村站(EK2+773)及丹水池站(EK4+303)。梁跨度类型有 25m、30m、40m。25m跨简支梁有单线、双线箱梁;30m跨度简支梁有双线箱梁。25m、30m梁高为 1.8m,梁的高跨比为1/16.67。40m为双线单箱梁,梁高 2.4m。连续箱梁的孔跨组合 35+50+35m、3×25m、40+60+40m共 3联。

以在建武汉市轻轨交通一号线二期工程典型预应力箱梁,在箱梁典型部位的截面内埋设温度传感器。

3 预应力箱形梁温度场测试结果及分析

箱梁温度场观测选在有代表性的天气进行,选一个阴天和一个晴天进行观测。一天中的观测时间安排如下:从早晨6∶00开始,1h1次,直到晚上 8∶00为止。经过理论分析计算和实际观测,在下午 15∶00左右,箱梁温度达到最大值。15∶00测得的箱梁特征点温度列于表 1。

表 1 预应力箱梁关键点温度观测值

由观测数据的分析可见:沿桥梁纵向,除了箱梁顶板的温度变化相对较大外,腹板和底板的温度变化很小,故沿纵向可以视为一致,从而箱梁的三维温度场简化为二维温度场,即沿箱梁横向和竖向。

由于影响顶板温度的主要因素就是太阳辐射,左、右幅受太阳辐射的强度基本一致,所以左、右相同位置处的温度大体相同。图 1给出了箱梁顶板典型观测数据,由图可见:箱梁顶板表面是受太阳辐射时间最长的部位,也是辐射最剧烈的部位。因此顶板的温度变化最剧烈,在近表面在下午 15∶00点达到最高,而由于混凝土的热传导滞后性,顶板中间温度上升速度比上表面缓慢的多且最高温度较表面也低。两者间最大温差发生在14∶00达到 11.9℃。对于同一幅桥,顶板横向温差最大达 3.2℃。这主要是由于箱梁两侧的悬臂部位和箱室顶板处所处的热交换条件的边界情况差异很大。悬臂部位的翼缘板完全处于大气中,下侧除了受地面反射还与周围的空气发生对流换热和热辐射换热,而箱室顶板下侧则只与箱内空气发生对流换热和热辐射换热,而箱内温度变化较小且风速几乎为零,故闭合箱室上的顶板温度和翼缘板处顶板的温度有差异。腹板外表面受到太阳直射、散射、反射的多重影响,但其强度与顶板比相对较低,左、右幅桥平行设置,可以相互遮挡,加之箱梁具有较长的翼缘板。同一观测时间左、右幅腹板的温度基本相同,但由于路线中心线两侧的腹板受到翼缘板的相互遮挡,其温度较另一侧略低。

图1 预应力箱梁顶板温度变化曲线

图 2给出了箱梁底板典型观测数据图,由图可见:底板的温度变化相对于箱梁顶板表面总体上要平缓的多,升温幅度也不大,仅为 3.1℃。由于底板的温度主要受到地面反射作用,加之沙银沟大桥地表裸露,无植被覆盖,才会出现在13∶00以后底板的温升加剧,直到 19∶00才趋于平缓。底板终日不受日照,所以太阳辐射对它影响不大,底板外表面主要受到地面反射作用。同一观测时间左、右幅底板的温度基本相同,横向温差很小,最大温差为 1.3℃。底板靠近腹板外表面处受到腹板表面温度的影响,温度比中间部分略高。

图 2 预应力箱梁底板温度变化曲线

图 3给出了箱梁测点 1～测点 4典型观测数据图,由图3可见:测点 1～测点 4由箱梁腹板内表面向外表面布置在内侧腹板中,腹板外表面受到太阳直射、散射、反射的多重影响,温度是由测点 1向测点 4传递。可以看到处在腹板外表面的测点 1温度最高。但从总体来看,在半梁高处中央位置腹板上的测点在整个观测过程内温度值都很稳定,变化幅度在 2℃以内。

图 3 预应力箱梁内侧腹板温度变化曲线

图4 预应力箱梁温度场的分布

图 4给出了从早晨 9∶00开始,1h1次,直到晚上 19∶00对箱梁的温度场进行了观测数据。由图 4可见:箱梁截面在日照影响下存在非线形的竖向温度梯度,顶板在太阳直射的影响下温度急剧上升,随后底板及腹板均有不同程度的上升。随太阳辐射强度逐渐增强,箱梁竖向温度梯度在下午15∶00左右达到最大,这与已有的研究成果相符,此时顶板升温值将近 16.8℃,且顶板温度梯度形式与现行的中国公路桥涵设计通用规范(JTGD60-2004)中规定的温度梯度基本类似。

4 结 论

以在建武汉轻轨一号线典型箱梁为工程背景,通过现场实测,分析了武汉地区典型预应力箱梁温度场的变化,通过实测数据可以得出如下结论。

(1)武汉地区预应力箱梁的温度梯度与现行规范中的存在差异,地域差异性和桥位朝向对温度的实测数据都有影响。

(2)由于混凝土本身的导热性能较差,在太阳辐射和大气温度的升高过程中导致其内部温度变化的明显滞后,形成非线性分布的温度状态,但这种滞后性在混凝土箱形主梁的纵向温度差异性不明显;在梁高及腹板厚度方向则表现明显,并且有明显的地域性差异。

(3)武汉地区混凝土箱形梁的最高温差外腹板出现在10∶30左右,内翼缘板出现在 14∶30左右。其主梁在梁高和梁宽方向上的温差分布近似为指数形式,与铁路规范的温差分布模式基本一致。

[1]刘兴法.混凝土结构的温度应力分析[M].北京:人民交通出版社,1991.

[2]F.凯尔别克著,刘兴法等译.太阳辐射对桥梁结构的影响[M].中国铁道出版社,1981.

[3]范立础.桥梁工程[M].人民交通出版社,2001.

[4]叶建曙,贾琳,钱培舒.混凝土箱梁温度分布观测与研究[J].东南大学学报(自然科学版),2002.

[5]Jain.P.C..Amethodfordiffuseandglobalirradiationofhorizontal surfaces.SolarEnergy,1990,44(5):301-308.

[6]康为江,方志,邹银生.钢筋混凝土连续箱梁日照温差应力的试验研究[J].湖南交通科技,2001.

[7]中华人民共和国行业标准.公路桥涵设计通用规范(JTGD60-2004)[M].北京:人民交通出版社.

[8]铁道部第三勘察设计院.铁路桥涵设计规范(TBJ2-85)[M].中国铁道出版社,1984.