混凝土桥梁设计中的温度效应

李燕清 张富贵/重庆市轨道交通设计研究院有限责任公司

混凝土桥梁设计中的温度效应

李燕清 张富贵/重庆市轨道交通设计研究院有限责任公司

混凝土桥梁设计中的的温度效应问题涉及到传热学、气象学、一般天文学和结构分析等多个学科的知识，具有复杂性和多学科交叉性的特点，其理论研究和试验体系尚不十分成熟，有许多问题有待更深入的研究和探索。

混凝土桥梁；桥梁设计；温度效应

一、温度效应对混凝土桥梁设计的重要意义

在混凝土桥梁使用过程中，会受到环境中的各个因素的影响。例如：空气、水分、氯离子等化学物质，在各种因素中温度飞影响是最直接的，对于桥梁整体结构的破坏也最为严重，温度对于桥梁结构影响的最直接的原因就是由于温度差而产生的温度力。温度应力对于混凝土桥梁的破坏主要体现在两个方面：

1.温度自应力：混凝土桥梁结构内部不同纤维由于温度作用产生变形引起的相互之间的作用，这种温度应力就是温度自应力。

2.温度次应力：混凝土桥梁由于温度的影响受到来自外界的变形约束力，这种温度应力被称为温度次应力。

随着当前混凝土桥梁工程建设的迅速发展和结构规模的不断增大，由于混凝土桥梁设计中工程建设和安全质量控制郡守温度效应的影响。因此，温度效应对于实际混凝土桥梁工程建设影响的分析和研究具有十分重要的意义。

二、混凝土桥梁温度效应的特点

（一） 混凝土桥梁结构， 受气象因素影响而产生的温度变化，可以看成是有由两个基本的周期性变化所组成：

1.以年为周期的结构内部平均温度的缓慢变化，即年温变化；

2.每天太阳辐射及气温波动等气象条件变化所引起的非线性温度变化；

3.在施工过程中， 还有由新浇混凝土水化热引起的温度荷载，这种临时的温度荷载一般通过适当的施工措施来控制， 如冷却水降温、加强养护以及使用低热水泥等措施。年温变化比较简单，其温度效应也比较容易确定。 年温变化主要引起结构轴线方向的长度变化， 只有当这种纵向变形受到约束时，才会引起附加的温度应力，而且由于变化缓慢，会受到混凝土徐变影响而削弱，由此引起的温度应力一般比较小。

（二）每日气象条件变化引起的温度荷载效应，一般可分成日照温度荷载和骤然降温荷载。混凝土桥梁结构与外界环境的热交换可分为三种形式：

1.混凝土表面吸收来自太阳辐射的热能；

2.混凝土表面与大气的对流换热；

3.大气和周围环境的辐射换热；

其中以无云晴天太阳辐射的换热强度最大。当混凝土结构受到日照作用时，表面温度迅速升高，但由于混凝土传热性能很差，热量向混凝土内部传递的速度很慢，从而使外表面和混凝土内部的温度变化速率存在很大的差异，内部的温度变化明显滞后于外表面处的温度变化， 这样就在混凝土结构中产生较大的非线性温差。 混凝土外表温度在太阳辐射强度峰值后的某一时刻达到最高值，然后随着太阳辐射强度的降低，外表温度开始下降。夜间太阳辐射消失，气温下降，白天积蓄在混凝土内部的热能向外传递，因此在夜间又会出现内高外低的负温差。此外，寒潮降温也会在混凝土结构中引起负温差，但寒潮降温一般历时较长， 由此引起的混凝土温度变化速率较慢，而且寒潮出现概率也要远小于日照出现的概率。

三、混凝土桥梁设计中温度效应实际设计

针对温度效应对桥梁结构的影响，在实 际的桥梁设计过程中必须从实际出发，针对不 同的结构进行相应的预防分析及具体设计 。

（一）上部结构的温度效应设计

在上部结构的温度效应设计张，应从三个方面进行实际的分析和设计：

1.桥梁上部结构温度荷载分析与设计应当与构件材料的特性相联系。

例如 ：钢管混凝土拱桥在温度相应分析与防护设计过程中必须考虑钢管与内部混凝土之间的温差应力对整体结构造成的影响。

2.桥梁上部结构温度荷载分析与设计应当与结构体系特性相联系 。

很多桥梁形式其结构体系特性的温度特点是不 同的。例如：传统拱桥的在温度效应分析及设计过程中只需考虑年温差载荷效应，而对于组合梁体系则主要考虑构件之间的温差效应载荷。在这其中，最为显著的桥梁结构形式是斜拉由于斜拉桥的构件组成较多。并且是钢梁混凝土、其他金属多种材料组成的。因此，在考虑温度载荷分布及效应分析过程中不仅要考虑温差效应，还要考虑各个构件之间的温度应力作用。

3.桥梁上部结构温度荷载分析与设计应当综合考虑耦合应力的影响。

桥梁上部结构除了受到温度应力影响之外长时间承受车辆及行人载荷的影响，除此之外 预应力混凝土桥梁内部还存在显著的钢筋预应力。所以，上部结构的应力破坏更多的是由于耦合应力作用。所以，在上部结构温度载荷分析过程中不能单独将温度应力作为单一因素考虑。还应分析温度应力与其他应力之间的耦合作用。

（二）桥墩结构的温差效应设计

桥墩作为混凝土桥梁整体的支撑体系，温差效应会对其稳定性产生显著的影响 因此 ， 在桥梁设计过程中，要充分考虑桥墩结构的温差效应。与上部结构温差效应分析层面相同。桥墩结构的温差效应设计应当 以下三个方面入手：

1.桥墩温差效应必须分析 日照温 差效应 。

2.必须明确温差应力 的非线性分布 问题 。

3.必须进行有效的约束设计。

在桥墩温差应力计算中均应按上端有水平约束的情况来考虑。

四、桥梁设计中温度效应实际设计中应该注意的问题

在实际的桥梁设计过程中度效应的设计还需要注意以下几个问题 。

1.对于结构重要结点的分析问题，可采用温度场有限元分析方法来确定最不利温度分布；

2.对于结构整体分析计算问题，经过理论计算与实测资料分析，一般可将空间温度场简化为二维变量分离的最不利温度分布，亦即用两个一维的温度分布近似叠加组合。这也是许 多国家规范普遍用的方法 ；

3.桥梁结构温差荷载效应的分析，由局部温差应力分析和结构整体效应分析两部分组成 并根据各种温差荷载发生的可能性进行叠加。

4.日照、骤然降温温差荷 对结构的影响往往不亚于车辆荷载产生的效应，我国公路桥梁规范中温差荷载的数值较小，故在设计计算中应注意这一问题 。

五、结束语

为保证混凝土桥梁结构设计和建设具有足够的强度、刚度、稳定性和耐久性，满足规定设计年限内正常使用的要求和全寿命费用最低的目的， 必须准确分析和计算温度效应对桥梁结构的影响，在设计和施工中采取合理、有效的措施。

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