日照作用下混凝土箱梁竖向温度梯度场研究

周记国,　钟新谷,　王桂花,　薛晓锋

(1.白城师范学院 土木工程学院,吉林 白城　137000; 2.湖南科技大学 土木工程学院,湖南 湘潭　411201; 3.长安大学 公路学院,陕西 西安　710064)



日照作用下混凝土箱梁竖向温度梯度场研究

周记国1,钟新谷2,王桂花1,薛晓锋3

(1.白城师范学院 土木工程学院,吉林 白城137000; 2.湖南科技大学 土木工程学院,湖南 湘潭411201; 3.长安大学 公路学院,陕西 西安710064)

摘要:文章以混凝土连续刚构箱梁桥为研究对象,应用热成像仪实地观测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,并分析其最大竖向升、降温温度梯度荷载分布形式及大小;采用ANSYS软件数值模拟分析温度梯度荷载在结构中产生的效应,同时与现行规范进行分析对比。分析结果表明:日照温度荷载在混凝土箱梁桥中产生的竖向升、降温温度梯度场呈曲线型分布,并在箱梁的底板存在温差现象;温度温梯度荷载在混凝土箱梁的腹板、底板中均有应力产生;观测分析所得的温度梯度荷载与现行规范规定的温度梯度荷载在结构中的分布形式、数值大小及其在桥梁中产生的效应方面差异较大。

关键词:混凝土箱形梁;日照温度荷载;温度场测试;温度梯度;温度效应

由于混凝土材料导热系数较小,使得混凝土结构内部在瞬变的自然环境温度场作用下形成较大的温度梯度荷载。对于混凝土连续刚构梁桥,日照温度的作用会使结构中产生较大的温度场,从而产生较大的温度应力。文献[1-3]给出了混凝土结构和混凝土箱梁桥的日照温度荷载规定,明确了结构的均匀整体升、降温温度荷载与升、降温温度梯度荷载。国内外有很多相关的研究[4-9],但日照温度荷载在桥梁结构中产生的温度场分布形式及数值大小会受诸多因素的影响,如桥梁的断面形式、结构的材料、所处位置的气候特点、结构的朝向等,因此研究桥梁结构的日照温度荷载需要结合多个具体因素,不能一概而论。

本文以湖南地区的一座连续刚构PC箱梁桥为研究对象进行长期现场观测。由于均匀温度场的分析及计算比较简单,所以本文主要研究混凝土箱梁桥的日照温度梯度荷载及其引起的效应,并与现行国家规范进行比较[10-12]。

1研究背景

湘江特大桥第16联为预应力混凝土连续刚构箱梁桥,桥梁基本为东—西走向,计算跨径为45 m+70 m+45 m,主跨支点横断面如图1所示。

图1　主跨支点断面图

此桥梁分为左、右2幅,对其中右幅主跨进行观测,此时桥梁主跨刚刚合拢。桥梁的温度场采用FlukeTi25热成像仪进行观测,现场测量箱梁内、外表面各点的温度值,所得到的标准图像和图像的温度数据处理样图如图2所示。

图2　热像图及其温度值

桥梁箱室内、外大气温度采用新型WS-1毛发温湿度表进行测量,最后对数据分析处理得到箱室内、外大气温度和桥梁结构中的日照温度场变化及其分布规律。

2温度日变化

为了研究日照作用下混凝土箱梁桥温度场的变化规律及其在结构中的分布形式,共进行了夏、秋、冬3个季节的观测,由于篇幅限制本文只列出箱室内外的大气温度、桥梁下的地面温度以及具有代表性的桥梁顶板和底板各点的温度日变化,并分析其变化规律。

2.1夏季日变化

选取天气晴朗、太阳辐射较强、桥梁顶板温差较大时桥梁结构内外表面及大气温度的日变化情况,来说明位于自然环境中的混凝土箱梁桥日照温度场的日变化规律。夏季箱室内外大气温度、桥梁下地面温度、桥梁顶板、底板各点的温度变化如图3所示。

图3　夏季大气、地面和桥梁顶、底板各点的温度变化

由图3可知,箱室外的大气温度日变化的幅度较大,最大为7 ℃;箱室内大气温度日变化幅度较小,最大为1.5 ℃;桥梁下地面温度的日变化温差最大为4.67 ℃;桥梁顶板外表面的温度日变化幅度最大,最高为40.67 ℃,最低为24.33 ℃;桥梁表面其他各点的日温差变化幅度略小;桥梁顶板的日温差变化幅度较大,最大差值为13.83 ℃;底板内、外表面的日温度变化也表现出同样的规律,底板最大温差为1.17 ℃。由图3还可以看出,桥梁温度由于受箱室内、外大气对流的影响较大,整个箱室内、外表面的温差日变化与大气的温差日变化相似,但桥梁表面各点的温度日变化相对于大气温度的变化存在明显的滞后现象,大气最高温度出现在13:00,而桥梁表面各点的日温度最高值出现在14:00～16:00之间。通过计算,桥梁外表面各点温度日变化与室外大气温度日变化的相关系数均值为0.74,桥梁内表面各点温度日变化与箱室内大气温度日变化的相关系数为0.78,可见桥梁表面各点的温度日变化受大气温度的影响较大。桥梁截面竖向发生最小、最大温差时断面表面各点的温度如图4所示。

图4　夏季最小、最大温差时桥梁截面表面的温度

2.2秋季日变化

在秋冬季天气晴朗、桥梁顶板外表面温度较大时对桥梁内、外表面温度及大气温度的日变化进行分析,各点的温度日变化如图5所示。由图5可知,秋冬季箱室外大气温度日变化最高温度为25 ℃,最低气温为9.7 ℃,日变化幅度较大;而箱内大气温差最大仅为1 ℃,日变化幅度较小;桥梁顶板表面温度日变化幅度最大,其他各点温度日变化幅度略小;桥梁各点最高温度一般出现在15:00～16:00。

图5　秋季大气、地面和桥梁顶、底板各点的温度变化

桥梁截面发生最小、最大竖向温差时断面表面各点的温度如图6所示。桥梁地面温度和外表面各点温度的日变化与箱室外大气温度的相关程度较大,相关系数均值分别为0.75和0.79,桥梁箱室内表面各点的温度日变化与室内大气温度的相关程度略小,相关系数均值为0.51。

图6　秋季最小、最大温差时桥梁截面表面的温度

文献[8]通过对钢箱梁的实地观测指出结构中的日照温度场存在滞后现象,结构的温度场变化比大气温度滞后2 h左右,在晴朗的天气下,梁体温度在15:00达到最高峰。本文所观测的温度场与室外大气温度之间同样存在滞后现象,滞后约2～3 h。文献[9]指出混凝土箱梁温度场随时间的变化规律与大气温度的变化规律相同,呈正弦曲线趋势,箱梁顶板的温度值及波动幅度要高于同时刻的外界大气温度值及波动幅度,这与本文所观测的结论相同。由以上对比结果可知,本文采用红外线热成像仪对混凝土箱梁的日照温度场进行观测的方式经济实用,且观测结果符合实际,可用于指导工程实践。

3温度梯度荷载

混凝土材料导热系数小、温度变化慢,使得混凝土箱梁桥在太阳辐射、大气温度对流的作用下,结构中产生整体升、降温的温度荷载及正、负非线性的温度梯度荷载。本文观测的桥梁在日照荷载作用下,桥梁中产生的最不利的升、降温温度梯度荷载与我国现行的中国铁路桥涵设计规范(简称中国铁路规范)、中国公路桥涵设计规范(简称中国公路规范)中所规定的升、降温温度梯度荷载在主跨1/4截面位置进行对比,结果如图7所示。

图7　日照升、降温梯度荷载

由图7可知,中国公路规范的温度梯度荷载为多段型,本文实测的与中国铁路规范规定的均为曲线型;本文实测的升温温度梯度荷载的标准值(温度梯度荷载在顶板的取值)与中国铁路规范的规定相似,略小于中国公路规范的取值;本文实测的升温温度梯度荷载从顶板下降的斜率小于中国铁路规范的,与中国公路规范的相近;本文所观测到的升温温度梯度荷载在底板有1.2 ℃的温差荷载,而2个规范中并没有规定;本文测得的降温温度梯度荷载的标准值最大,而中国铁路规范的取值最小;温度梯度荷载从顶板向下上升的斜率本文观测的结果最小;本文观测得到了降温温度梯度荷载在桥梁底板有4 ℃的温差,而2个规范中没有规定底板温差荷载。

4温度梯度荷载效应

国内外都发生过由温度应力导致的混凝土结构桥梁严重裂损的事故。将中国铁路规范、中国公路规范与现场实测得到的温度梯度荷载分别作用于所观测的桥梁,采用ANSYS有限元软件对温度梯度荷载产生的效应进行分析。以所观测的混凝土连续刚构箱梁桥的主跨为研究对象,数值分析模型如图8所示,现场观测得到的升、降温度梯度荷载在桥梁结构中的分布如图9所示。

图8　数值分析模型

图9　升、降温温度场

在图7所示的升、降温温度梯度荷载的作用下,混凝土连续刚构箱梁桥的主跨跨中沿腹板从顶板向下产生的温度应力如图10所示,桥梁主跨两支点间的顶板中部产生的竖向变形如图11所示,其中应力负值为压应力,变形正值为结构向上变形。

图10　主跨跨中升、降温温度梯度荷载

图11　顶板中部的竖向变形

由图10可知,在升温温度荷载作用下,中国公路规范规定的荷载产生的温度正应力数值最大,本文所测得的温度梯度荷载产生的温度应力最大值与中国铁路规范荷载产生的值相近,但本文观测的荷载在箱梁的腹板及底板中有压应力产生,而2个规范荷载在结构的腹板及底板中不产生应力;在降温温度梯度荷载作用下,本文所测得荷载在结构中产生的应力值最大,中国铁路规范荷载产生的应力最小,同时本文所测的降温温度梯度荷载在箱梁结构的腹板和底板中产生拉应力,而2个规范荷载则不产生应力。由图11可知,日照温度梯度荷载在混凝土连续刚构箱梁桥中产生的顶板中部竖向变形数值不大,但本文观测得到的升、降温温度梯度荷载在桥梁主跨跨中产生的竖向变形均比中国铁路规范、中国公路规范规定荷载产生的变形略大。

5结论

(1) 采用热成像仪对混凝土箱梁桥的日照温度场进行观测是可行的。箱室截面内、外表面各点温度的日变化与箱梁室内、外大气温度日变化的相关性较大。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之间存在滞后现象,一般滞后2～3 h。

(2) 建议混凝土箱梁竖向日照温度梯度荷载线形采用曲线型,升、降温温度梯度荷载标准值的取值应分地区取用,升、降温温度梯度荷载在混凝土箱梁的底板中分别规定温差荷载。

(3) 本文观测所得升、降温温度梯度荷载在混凝土箱梁的腹板、底板中均产生应力,而中国铁路桥涵设计规范、中国公路桥涵设计规范所规定的温度梯度荷载在结构的腹板、底板中不产生应力。观测所得温度梯度荷载在桥梁中产生的竖向变形比中国铁路规范、中国公路规范中规定荷载产生的变形略大。

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(责任编辑胡亚敏)

Research on vertical temperature gradient field of concrete box girder under sunshine temperature load

ZHOU Ji-guo1, ZHONG Xin-gu2, WANG Gui-hua1, XUE Xiao-feng3

(1.School of Civil Engineering, Baicheng Normal University, Baicheng 137000, China; 2.School of Civil Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China; 3.School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710064, China)

Abstract:Choosing the concrete continuous rigid box girder bridge as the research object, the daily variation of temperature gradient in the concrete continuous box girder bridge under the sunshine temperature load was observed by field survey with the thermal imager. The distribution forms and values of maximum vertical rise and minimum fall temperature gradient load were also analyzed. The temperature gradient load effects in the bridge were numerically simulated and analyzed through ANSYS software, and the results were compared with the current Chinese specification. The results show that the distribution forms of vertical rise and fall temperature gradient in the bridge under the sunshine temperature load are both curvilinear. There are temperature differences in the box girder bottom slab and temperature stresses in the webs and bottom slab of box girder under the sunshine temperature load. In the respects of the distribution forms, values and effects of temperature gradient load in structure, there are certain differences between the temperature gradient load of observation and Chinese specification.

Key words:concrete box girder; sunshine temperature load; temperature field test; temperature gradient; temperature effect

中图分类号:U442

文献标识码：A

文章编号：1003-5060(2016)02-0223-06

Doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.02.015

作者简介：周记国(1986-),男,辽宁辽阳人,博士,白城师范学院讲师;钟新谷(1962-),男,湖南宁乡人,博士,湖南科技大学教授,博士生导师.

基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(CHD2011JC195);特大型桥梁综合防灾减灾理论与方法研究资助项目(2011318223170)

收稿日期：2014-04-04；修回日期：2014-07-31