气温变化对混凝土桥梁结构的影响分析

刘 子 英

(东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040)

气温变化对混凝土桥梁结构的影响分析

刘 子 英

(东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040)

对混凝土桥梁结构受气温变化影响的类型进行了分析，从气温年变化、日变化和寒潮降温三方面进行了论述，提出了控制气温变化对混凝土桥梁结构影响的建议，为类似的研究提供了参考依据。

气温变化，混凝土桥梁结构，裂缝，耐久性

随着桥梁结构逐步向大跨、高耸方向发展，无论是大体积混凝土预制构件还是整体现浇混凝土构件，在桥梁上的应用均已非常普遍。混凝土桥梁在自然环境中经受各种气象条件的影响，尤其是混凝土构件的表面或内部温度随时变化，而对于大体积混凝土，温度变化不但可能引起裂缝，而且对结构的应力状态也有重要影响，有时温度应力在数值上可能超过其他外荷载引起的应力。气温的变化是引起混凝土裂缝的重要原因之一，是计算温度应力及制定温度控制措施的依据[1,2]。因此研究气温变化对混凝土桥梁结构的影响至关重要。

1 对混凝土桥梁产生影响的气温变化类型

对于混凝土桥梁结构来说，气温变化引起的温度应力主要可分为三种类型：气温年变化、气温日变化和寒潮降温引起的结构温度变化。其特点如下。

1.1 气温年变化

气温年变化引起桥梁结构的温度变化是长期而缓慢的，它使桥梁结构整体发生均匀的温度变化，所以在考虑气温年变化对结构物的影响时均以平均温度为依据，一般以最高与最低月平均温度的变化值作为年温变化幅度。温度数据可在中国气象科学数据共享服务网上查询获得。

由气温年变产生的温度应力在全桥均有分布，作用时间长，分布较为均匀，使桥梁结构产生较大的整体位移[1]。尤其是在寒冷的北方，由于冬季气温很低，气温年变化是引起混凝土构件表面裂缝甚至深层裂缝的重要原因[2]。

1.2 气温日变化

从工程应用的角度考虑，当桥梁的位置确定后，影响结构日照温度变化的主要因素是太阳辐射程度、气温变化和风速，为了寻求设计温度荷载，风速这个因素也可以忽略，因为当混凝土结构表面温度达到最大时，风速几乎接近于零。这样从设计控制温度荷载考虑，影响桥梁结构表面温度的因素实际上可简化为只有太阳辐射和气温变化两个因素。

气温日变化主要是由太阳辐射引起的，随着太阳辐射强度、入射方位角等因素的变化，混凝土温度梯度和温度应力也呈现出瞬变特征，且在桥梁结构上分布很不均匀，主要表现在：受阳光直射的范围内温度变化相对明显，由于混凝土是热的不良导体，导致在背光一侧温度变化较慢，从而使得局部应力较大。因此可以用实测资料的数理统计分析方法，求得的表面温度计算式和沿壁板厚度的温差曲线的计算式来确定桥梁的温度荷载。

1.3 寒潮降温

不论在北方还是南方，寒潮都是引起混凝土表面裂缝的重要原因[2]。在一定强度的冷空气流的冷却作用下，桥梁整体呈现短时的温度变化，混凝土桥梁整体呈现表面温度迅速降低而在结构中形成内高外低的温度分布，使混凝土结构的外表面产生较大拉应力。相比之下，混凝土桥梁结构的表面和内部温度变化比日照时的结构温度变化要简单一些。寒潮降温的时间过程约为20 h，这种降温温度荷载较之气温日变化产生的温度荷载变化缓慢，但作用时间长。同时，寒潮降温作用引起的桥梁结构降温速度(南方地区平均降温速度为1 ℃/h，最大降温速度为4 ℃/h)，比日照升温速度(10 ℃/h)要小。寒潮降温温度变化，一般只需考虑气温变化和风速这两个因素，可以忽略日辐射影响。

2 需要开展研究的科学问题

2.1 结构

温度变化的热胀冷缩会导致温度应力的产生，由于各材料界面的温差变形系数不同，使得钢筋与混凝土界面、砂石与水泥浆界面等产生不同的温差变形，导致混凝土产生裂缝。温度裂缝的产生不但影响到结构的承载力和设计效果，而且对结构的安全性和耐久性也有重大影响。因此需要研究桥梁结构主要构件的温度梯度和温度效应，且由于我国幅员辽阔，气候差异大，应按照建筑气候区划来分别总结其规律。桥梁结构的动力性能亦受气温变化的影响，如刚度变化、极限荷载、有温度裂缝产生的结构阻尼变化、冲击作用变化等。

温度年变化、寒潮的影响也会带来桥梁结构的损伤累积，进而影响结构的长期性能，包括混凝土徐变增大、耐久性退化等对混凝土桥梁结构的承载力和变形的影响，因此应综合考虑荷载变化以及材料短期或长期的性能变化。

2.2 材料

温度变化对材料的力学性能有影响，通常温度升高导致材料强度、弹性模量降低，变形加大。当大气温度达到32 ℃时，混凝土表面温度可达63 ℃；当温度达到40 ℃～47 ℃时，混凝土表面温度则高达80 ℃～90 ℃[5]。这种极端气温虽不会经常出现，但在环境持续高温或低温,或高低温快速交替作用下，混凝土力学性能将有较大不同[4]。这种材料性能的变化对结构安全性和耐久性都会产生影响，因此，需要研究桥梁使用环境的温度变化范围及短期内温度变化幅度，研究材料强度和弹性模量的变化，以及骤然降温对混凝土材料的力学性能和耐久性问题的影响。

3 控制气温变化对混凝土桥梁结构影响的建议

建议确立桥梁结构在全寿命周期内抵抗气温变化的设计理念。针对气温变化对混凝土桥梁结构的构造要求进行研究，考虑混凝土铺装层厚度、铺装方式、铺装材料等的具体要求；创新建筑材料种类，如考虑将混凝土表面吸收的内能转变为电能为桥梁提供夜间照明，或通过混掺入外加剂或在混凝土表面涂层的方法减小混凝土的吸热系数等。在建筑气候分区的思想基础上，完善各类规范中关于混凝土温度梯度和温度荷载的计算方法，为桥梁设计提供科学依据。在既有桥梁加固设计和安全性评价方面，建议考虑气温变化作用下既有桥梁的剩余承载力，合理评估桥梁的使用状态和剩余寿命，进一步完善桥梁检测和监测制度。同时，由于桥梁结构形式不一，不断产生的异形结构增加了混凝土温度梯度和温度效应的计算难度，目前对于异形结构的温度设计尚欠缺经验。

4 结语

气温变化对混凝土桥梁结构影响很大。常见的气温变化类型包括气温年变化、日变化和寒潮降温等，气温年变化对混凝土桥梁结构的影响长期缓慢，在北方是导致混凝土表面裂缝和深层裂缝的重要原因。气温日变化具有瞬态特点，是混凝土构件温度场的主要影响因素，应在建筑气候分区的思想指导下，不断改进各项规范对温度梯度和温度荷载的计算法。寒潮降温多引起混凝土构件的表面裂缝。针对气温变化，建议采取增加铺装层厚度、提高建筑材料性能、优化温度荷载计算方法等方法来逐步解决温度变化给混凝土桥梁结构带来的影响。

[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] 朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M].北京:中国电力出版社,1999.

[3] 聂玉东.寒区大跨径混凝土箱梁桥温度场及温度效应分析[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2013.

[4] 王元丰,韩 冰.极端气候事件对桥梁安全性的影响分析[J].土木工程学报,2009(3):76-79.

[5] 张国学,刘晓航.温度对混凝土材料性能的影响[J].华东公路,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

刘子英(1980- )，女，讲师，在读博士

U441

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