箱梁竖向温度梯度荷载研究

陈 曦

(四川高速公路建设开发总公司南充管理分公司，成都610041)

箱梁竖向温度梯度荷载研究

陈 曦

(四川高速公路建设开发总公司南充管理分公司，成都610041)

由于混凝土材料导热系数较小的性质，使得混凝土结构在瞬变的自然环境温度场的作用下，结构内部形成较大的温度梯度荷载。而且我国各地气候差异较大，处于不同地区环境下的桥梁结构不能采用统一的温度荷载来进行计算。本文对日照温度荷载作用下混凝土箱梁桥中的温度场日变化规律进行分析，得到及最大竖向升、降温度梯度荷载分布形式并与各国现行规范进行对比分析。

1、引言

混凝土桥梁在太阳辐射和气温变化等外界环境因素作用下，结构内部温度的变化存在明显的滞后现象，导致每层混凝土所得到或扩散的热量有较大的差异，形成非线性的温度分布状态。对于整体升降温，桥梁计算中早有考虑而且计算简单，但对于结构中的日照温度梯度荷载即温度场在混凝土桥梁结构中的空间分布形式尽管有较多的研究成果，但目前还没有完全统一。而且我国各地气候差异较大，处于不同地区环境下的桥梁结构不能采用统一的温度荷载来进行计算。所以对处于不同地域不同气候条件下的室外大气环境中混凝土桥梁结构的温度场进行研究同时建立我国不同地区的温度荷载模型是有必要的。本文主要研究在日照温度荷载作用下混凝土箱梁温度场在时间及空间上的变化规律，同时分析温度场在此桥梁结构中的空间分布曲线，然后与几个国家相应有关日照温度梯度荷载的规范进行比较。

2、混凝土箱梁温度场观测

对桥梁的温度场进行实地观测，分析在日照作用下桥梁表面的温度场随时间有变化规律及表面温度场的分布形式是一种可靠的分析方法。本文以现场实际桥梁模型为基础，对其表面的温度场进行长期观测。观测对象为究预应力混凝土连续刚构箱梁桥。以此桥梁的四分跨截面为基准进行分析截面内外表面关键点特征温度的季节变化及日变化规律来研究预应力混凝土箱梁桥内外表面温度场随时间的变化规律及其在结构中的空间分布规律。

3、混凝土箱梁温度场日变化

桥梁结构处在室外大气中，长期经受一种周期性的辐射作用。经过一段时间后，其热交换达到平衡。暴露于大气中的结构，在吸热与放热的综合作用下，通常对于一个单位表面产生一个如下的热流密度：太阳直接辐射，天空辐射，太阳辐射与天空辐射的反射，大气逆辐射，地表环境辐射与逆辐射的反射，构件的辐射，对流热交换。

经观测在夏季箱外大气温度从日出时刻开始升温，13：00温度最高而后开始降温，10：00～20：00室外大气温度高于室内大气温度，而箱内温度日变化不大。箱梁截面外表面各点的温度与箱梁室外的大气温度相关系数均值为 0.74，箱内表面各点的温度与室内大气温度相关系数均值为 0.78。梁截面表面各点温度变化相对于大气温度变化存在明显的滞后现象，最高温度大都出现在14：00～16：00。内外表面温度的差值变化也如同大气温度变化一样，在 10：00～20：00箱梁外表面温度略高于内表面温度。

经观测在冬季天气晴朗，箱外大气温度从日出时刻开始升温，14：00达到最高，而后开始降温，10：00～20：00室外大气温度高于室内大气温度，而箱内温度日变化不大。箱梁截面外表面各点的温度与箱梁室外的大气温度相关系数均值为0.79，箱内表面各点的温度与箱室内大气温度相关系数均值为0.51。但梁截面表面各点温度变化相对于大气温度变化存在明显的滞后现象，最高温度大都出现在15：00～16：00。顶板内外表面温差变化与夏秋季节相似，但腹板、底板外表面温度几乎全天都略小于内表面温度。

4、混凝土箱梁竖向温度梯度荷载

自20世纪60年代以来，国内外都发生由于温度应力而导致混凝土桥梁严重裂损的事故。混凝土结构内部的温度场是确定温度荷载的关键，分析温度场的方法，一般有以下的三种：一是用热传导微分方法求解；二是采用近似数值求解；三是运用半理论半经验公式。本文在所测得的实验数据的基础上，确定桥梁竖向最不利的温度荷载分布的曲线形式并与现有规范做以比较。

对混凝土箱梁的竖向升温梯度荷载各国规范及现场实测结果对比得到以下结论。英国BS5400规范、美国AASHTO规范、中国公路桥涵设计规范所对温度梯度荷载的规定为多段折线型，中国铁路桥涵设计规范及现场观测结果显示温度梯度荷载为曲线型。温度梯度荷载的标准值即温度梯度荷载在顶板的取值美国AASHTO规范所规定最大，英国BS5400规范规定最小，现场观测值与我国铁路桥涵没计规范所规定相近。现场观测到的升温温度梯度荷载在顶板下降速率小于中国铁路桥涵设计规范，与我国公路桥涵设计规范、美国AASHTO规范相近。英国BS5400规范、美国AASHTO规范规定在底板有温差荷载，中国铁路桥涵设计规范与中国公路桥涵设计规范规定在底板没有温差荷载，现场观测结果显示在底板有温差荷载。

对混凝土箱梁的竖向降温梯度荷载各国规范及现场实测结果对比得到如下结论。英国BS5400规范、美国AASHTO规范、中国公路桥涵设计规范对温度梯度荷载规定为多段折线型，中国铁路桥涵设计规范、现场观测温度梯度荷载为曲线型。温度梯度荷载的标准值即温度梯度荷载在顶板的取值现场观测结果最大，美国AASHTO规范规定最小。现场观测得出温度梯度荷载曲线由顶板外表面向下至60cm上升最快后趋于稳定，其上升速率比各国规范均小。英国BS5400规范、美国AASHTO规范规定底板有温差荷载，中国铁路桥涵设计规范与中国公路桥涵设计规范在底板没有温差荷载的规定，现场观测结果显示在底板有温差荷载。

5、结语

箱梁室外气温度在一日内变化幅度比较大，箱梁室内气温在一日内变化幅度较小。地面温度、箱梁外表面各点温度与箱梁外大气温度存在很大相关性。混凝土箱梁桥的日照温度场日变化与箱室外大气温度的日变化存在滞后现象。建议对于我国的公路桥梁的温度梯度荷载选取曲线模型，温差梯度荷载标准值的选取应根据我国不同地区采用不同的取值，同时在底板应考虑温差荷载。

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