严寒地区混凝土箱梁实测温度梯度分析

吴 春 刘 哲

(山东省冶金设计院股份有限公司，山东 济南 250000)

1 概述

混凝土箱梁桥的竖向温度梯度一直受到研究人员的广泛关注[1,2]。一般认为，在结构设计中应考虑竖向温度梯度。《公路桥涵设计通用规范》(以下简称《通规》)给出了混凝土桥梁[3]设计时的半理论半经验温度梯度值。与美国、新西兰和欧洲的规范相比，《通规》只给出了顶板的温度梯度，而没有给出底板的温度梯度。中国地域辽阔纬度跨度大，从中国北方到南方的温度变化也很大。因此，一般规范给出的温度梯度是否适用于全国各区域桥梁仍需进一步研究。为此，对黑龙江地区一座混凝土箱梁桥的6个截面进行了温度数据实测分析试验。

整理分析现场实测温度数据发现，混凝土箱梁底板存在明显的温度梯度，而且箱梁上缘温度梯度的影响深度大于《通规》的规定值。通常情况下负温度梯度值大于正温度梯度值的一半。根据实测数据，提出了新的温度梯度代表值计算方式。

2 温度梯度一般值

《通规》规定的温度梯度值如图1所示。

根据《通规》中混凝土桥梁结构温度梯度的规定，当梁高H<400 mm，A=H-100 mm；当梁高H≥400 mm，A=300 mm。如果桥梁为混凝土路面，代表温度值T1=25 ℃，T2=6.7 ℃。由于本文所用温度数据是在混凝土箱梁浇筑完毕桥面铺装还未施工的情况下采集的，因此我们认为本桥混凝土箱梁竖向温度梯度取值与桥面铺装为水泥混凝土铺装时一致。《通规》与美国AASHTO规范不同，《通规》没有给出混凝土箱梁底板的温度梯度值。AASHTO通过考虑不同地区[4]的气候，对于混凝土箱梁顶板和底板均给出了具有代表性的温度梯度值。由于我国不同地区的气候差异较大，东北、新疆、青藏高原地区气温较低，东南沿海及中原地区气温较高。因此，为了更准确的计算温度梯度效应，应考虑不同地区底板温度梯度和具有代表性的温度梯度值。

3 现场实测温度梯度值

3.1 传感器布置

为了获得更多的实测温度数据在试验桥梁6个截面布置温度传感器，其中3个截面为单箱双室结构，其余3个截面为单箱四室结构。箱室相同的截面传感器布置基本一致，为了避免冗余，在这里单箱双室和单箱四室截面分别只给出一张传感器布置图。其他截面传感器的布置位置与图2,图3给出的布置位置相同。图2和图3分别为单箱双室截面和单箱四室截面的传感器位置布置示意图。

3.2 正温度梯度分析

对6个截面第一年10月～次年8月的实测温度数据整理，选择不同月份的正温度梯度值绘制在同一图表中进行对比分析，见图4。

分析图4温度数据中可以看出，从5月到11月由于外界环境温度比较高，受日照及外界气温影响混凝土箱梁顶底板温度梯度均为正温度梯度值。从顶板开始的温度梯度大致分为两部分。第一部分距梁顶深度为100 mm，第二部分距梁顶深度为100 mm～1 000 mm。实测温度数据显示混凝土箱梁上缘温度梯度的影响深度大于规范规定的400 mm。混凝土箱梁顶缘的实测最大温差为16 ℃，此温差值小于《通规》规定值25 ℃。五月份实测的上缘正温度梯度与《通规》规定的正温度梯度分布模式基本相同。由图4还可以看出，混凝土箱梁下缘存在明显的正温度梯度分布。下缘正温度梯度最大温差为5.4 ℃，影响范围是从梁底至距梁底300 mm处。混凝土箱梁下缘正温度梯度仅受周围环境影响而形成，不受阳光照射影响，因此温度梯度值及影响深度都比上缘正温度梯度的要小。

3.3 负温度梯度分析

分析图5温度数据中可以看出，从11月到次年1月由于北方进入冬季外界环境温度降低，受外界环境影响混凝土箱梁上下缘产生负温度梯度。进入11月后东北地区迎来一场大规模降温，11月10日实测的负温度梯度值比其他时间段测得的负温度梯度值大。这一现象的产生是混凝土导热系数较低，当环境温度骤降混凝土箱梁表面与周围环境快速发生热交换温度快速下降，梁体中部混凝土还没来得及散热降温。从图5可以看出，11月10日混凝土箱梁上缘负温度梯度明显比下缘负温度梯度大，其他时间段实测的混凝土箱梁上缘与下缘负温度梯度值差别不大。上缘负温度梯度影响范围比下缘的要大，这是由于下缘仅受空气温度影响，而上缘除受空气影响外还受到降雪影响。综合分析图4和图5可以看出，当寒潮来临时混凝土箱梁表面温度下降很快温度很低，用正温度梯度值乘以-0.5确定负温度梯度是有偏差的。

3.4 根据实测温度数据拟合的温度梯度

我国东北地区受西伯利亚冷空气影响基本每年都会经历大规模降温，为了获得更符合实际的负温度梯度，应考虑寒流的影响。根据实测数据拟合的温度梯度模式见图6,图7。顶缘处温度梯度值18 ℃，距梁顶缘100 mm处温度梯度值8 ℃，距梁顶缘1 000 mm处温度梯度值0 ℃。梁底缘处温度梯度值6 ℃，距梁底缘100 mm处温度梯度值2 ℃，距梁底缘300 mm处温度梯度值0 ℃。

梁顶缘处温度梯度值-12 ℃，距梁顶缘1 000 mm处温度梯度值0 ℃。梁底缘处温度梯度值-6 ℃，距梁底缘300 mm处温度梯度值0 ℃。

4 结语

对于连续箱梁桥温度梯度荷载是产生温度应力的主要荷载，设计中准确计算温度应力是非常重要的。分析实测温度数据与《通规》对比得出以下结论：1)混凝土箱梁受外界环境影响主梁上下缘均存在明显的温度梯度，设计时应考虑下缘温度梯度影响。2)从梁顶缘到距梁顶缘1 000 mm处为混凝土箱梁上缘温度梯度影响范围，从梁底缘到距梁底缘300 mm处为下缘温度梯度影响范围。3)对于本桥上缘负温度梯度取正温度梯度的-0.67倍，下缘负温度梯度取正温度梯度的-1倍较为准确。