高寒地区连续梁桥系杆与拱肋温度场实验研究

于 岚

(哈尔滨交研交通工程有限责任公司,黑龙江 哈尔滨 150080)

1 试验桥简介

本文所依托的工程桥梁位于齐齐哈尔市市区，所处地理位置位于北纬47°21′，东经123°33′，所在区域属平原区地形。桥梁结构形式为：下承式三跨预应力混凝土系杆拱连续梁组合桥。该桥全长为147.76 m，跨径布置为40 m+60 m+40 m，桥面全宽为34.2 m。该桥为刚性系杆刚性拱，拱轴线采用二次抛物线。桥梁为东西走向，其轴线与地理正东方向间的夹角为27°。

各孔拱肋均为工字形等截面的钢筋混凝土结构，中孔拱肋高为1.6 m，边孔拱肋高为1.2 m。在直线段系杆采用箱型截面，高1.8 m，宽1.4 m；端部及墩顶处加高至2.2 m，加宽至1.7 m。系杆顶部桥面铺装采用8 cm沥青混凝土+防水层+5 cm水泥混凝土垫层。

2 试验研究方案

2.1 温度测试断面选择

针对系杆拱连续梁组合桥的结构特点，选取具有代表性的温度控制断面及测点，在具有代表性的时段内进行现场温度数据的测试。温度测试纵断面的选择如下：

(1)系杆纵桥向选取中孔距跨中断面向3#台侧偏2 m的位置；

(2)拱肋及桥面温度测试断面均选取在中孔跨中断面。

2.2 温度测点布置

系杆及拱肋温度测点布置中，对所选取的系杆、拱肋温度测试断面，沿结构高度方向均布置6个混凝土温度测点。其中，系杆温度测点编号由梁底缘向顶缘依次为测点1～测点6；拱肋温度测点编号由肋顶缘向底缘依次为测点1～测点6。

2.3 温度测试与采集系统

(1)温度测试传感器

①系杆及拱肋混凝土内部竖向温度测试传感器，采用长沙金码高科技实业有限公司制造的JMT-215AT型，带温度自补偿的混凝土应变计，便于温度修正及测试。

②桥面铺装及吊杆内部测温传感器，采用长沙金码高科技实业有限公司生产的JMT-36B带记忆型温度传感器。

(2)温度采集仪

结构内部温度的采集均采用由长沙金码生产，与传感器相配套的JMZX-3001综合测试仪，温度测试精度为0.1 ℃。大气温度的测试采用采用台湾泰仕生产的TES1360数显温湿度计。

2.4 温度测试时间与频率

(2)温度测试时间段的选择

齐齐哈尔地区有记录历年各月平均温度变化曲线可知，每年7月温度最高，1月温度最低。

为使结构内部温度的影响变化相对明显，根据桥位历史温度特点来看，一般情况下太阳辐射及环境温度最为明显的季节为冬夏两季。故此次温度测试试验选取2015年7月15～17日及温度2016年1月16～18日作为温度测试时间。由现场实测大气温度，并结合当地气象部门资料可知，所选取的测试时段内日温度最高值为31.5 ℃，最低值为-28.3 ℃，较接近有记录以来历史的日最高及最低值，日温度变化量在11.9 ℃～15.0 ℃。

(2)测试频率

在每次测试时段内均进行为期40～48 h的连续测试，每隔两个小时采集一次环境温度及相应结构内部测点的温度数据。

3 实测温度数据分析

实测系杆、拱肋竖向各测点的温度参数见表1～表4。所建立的系杆、拱肋竖向各测点日温度变化曲线。

表1 1月16～18日系杆竖向温度测试参数

表2 7月15～16日系杆竖向温度测试参数

表3 1月16～17日拱肋拱顶竖向温度测试参数

表4 7月15～16日拱肋拱顶竖向温度测试参数

由表1～表4可知，由于拱肋与系杆空间位置的差异，环境因素对其影响的不同，导致拱肋内部温度的各项参数值普遍高于系杆。在两次测试时段内，两者平均值最大相差3.8 ℃，温度最大值相差6.6 ℃。距系杆及拱肋上表面最近测点6和测点1的日温度最大变化量分别为16.7 ℃和19.2 ℃，而结构中部(距系杆顶缘0.8～1.2 m，距拱肋顶缘0.85～1.25 m范围)，日温度最大变化量分别为6.5 ℃和11 ℃。说明沿系杆及拱肋高度方向，由上、下缘表面向结构中部温度的变化量逐渐减小。

可以看出，系杆及拱肋温度变化规律与大气温度变化规律基本一致，各测点日温度随时间呈日周期性的波浪状曲线变化。在时间上相对于环境温度，结构温度变化存在一定的滞后性，这与混凝土材料的热惰性有关。

系杆及拱肋测点温度在0∶00～4∶00点变化相对稳定，最大变化量为2.3 ℃。在6∶00～14∶00点结构温度逐渐升高，表现出由结构上、下表面向中部其升温速率及升温量均减小的趋势，在距上缘最近测点6和测点1最大升温量分别为13.6 ℃和15.5 ℃。在14∶00～16∶00点温度达到最高，7月16日系杆及拱肋测点最高温度分别为39.8 ℃和42.2 ℃。在16∶00～18∶00点中部测点4温度达到最高，分别为29.2 ℃和33.2 ℃，此时系杆及拱肋上、下表面温度开始降低，说明温度在混凝土材料间传递具有一定滞后性，时间约2 h。

2015年7月16日不同时刻系杆及拱肋竖向温差的变化曲线。根据相关文献及规范可知，通常把沿结构高度方向温度变化量最小点的温度作为基准温度，其他各测点的温度减去该基准温度即得结构竖向温度梯度。

沿系杆及拱肋高度方向温度差存在明显的分布规律：上缘温差最大，中部附近最低，下缘小于上缘，且沿梁高程曲线分布。在16∶00时系杆、拱肋竖向正温差最大，分别为11.6 ℃和9.5 ℃，此时系杆及拱肋底部温差分别为2.4 ℃和4 ℃。在6∶00(即日出)时产生竖向最大负温差，系杆、拱肋底缘的最大负温差分别为-1.4 ℃和-2.2 ℃，约为最大正温差的0.58倍、0.55倍，略大于国内公路规程(JTG D60-2015)中采用负温差为正温差的0.5倍。

结 论

沿系杆及拱肋高度方向上缘温差最大，中部附近最低，下缘小于上缘，沿梁高呈曲线分布。在16∶00时系杆、拱肋竖向正温差最大，分别为11.6 ℃和9.5 ℃，此时系杆及拱肋底部温差分别为2.4 ℃和4 ℃；在6∶00时产生竖向最大负温差，系杆、拱肋底缘的最大负温差分别为-1.6 ℃和-2.2 ℃，约为最大正温差的0.58倍、0.55倍，略大于规程上负温差为正温差的0.5倍。