混凝土桥梁设计中的温度效应研究

郑雪伟

深圳市市政设计研究院有限公司杭州分公司 浙江杭州 311200

桥梁结构处于自然环境中，受到太阳辐射以及季节性因数会使得结构中各个部分的温度发生变化[1]。斜拉桥为多次超静定结构，大多数斜拉桥的跨径范围一般在300m-1000m范围，在温度作用下，引起桥梁结构的纵向以及竖向变形，并产生温度应力，影响桥梁的耐久性。随着跨径不同，斜拉桥的主梁形式分为混凝土箱梁、钢箱梁、钢桁梁、π型梁等形式，不同形式的主梁刚度不一样，材料特性不一样，温度作用效应也有所不同。当前斜拉桥的修建数量越来越多，斜拉桥在温度作用下的响应也越来越多的受到国内外学者的重视，从温度场的测试，再到温度作用下的就够响应。

1 桥梁温度场内涵

桥梁的使用功能特性决定了其使用过程中必然长期暴露在自然环境中，在外界环境温度不断变化时会产生温度荷载。由于混凝土具有导热系数小的固有特性。桥梁结构表面温度无法及时传导至结构内部，在较大的温差下，结构内外的胀缩不一致，导致混凝土结构在非线性温度场下产生温度应力差。一般来讲，自然界温度作用主要包括：年温变化作用，日照温度作用和骤然降温作用这三种主要的类型。在这三种温度场中，日照温度作用的影响最为显著且变化规律也最为复杂。主要受到外界风速、气温、紫外线强度、日光照射时间等方面的影响。受其影响，温度场的变化周期短且剧烈，同时混凝土结构表面的温度分布也会随着太阳照射角度不断发生变化，意味着一天中桥梁结构表面温度最高的位置会随着时间的推移不断移动。因此，日照温差是对桥梁结构作用最为频繁也是影响最大的效应，其变化周期漫长也更有规律，通常以年均气温作为温度场对混凝土结构影响的依据[2]。

2 温度应力分析

在水化热后期在顶板与腹板交接处出现了箱梁早期最大温度应力可以达到2.2MPa，交角处热量换散困难应力集中现象显著，这与温度场分析吻合。上顶板与腹板连接处表面形成应力集中区域，再加上在实际使用过程中受太阳辐射的影响极易产生混凝土开裂现象。由于温度升高，箱梁体积膨胀，沿箱梁腹板和底板内侧部位和外侧形成两个拉应力带，这说明由于此处板件较厚，水泥用量大，水化热作用激烈，如果不适当采取冷却或散热等防护措施，极易造成混凝土的损失和开裂。

3 混凝土桥梁温度效应设计要点

3.1 荷载时间及求解

计算时分析类型定义为瞬态分析类型。定义箱梁浇筑初始温度为30℃，将箱梁水化热、边界热交换写成温度随时间变化的循环语句分别以体荷载，面荷载的形式施加到箱梁模型上。设定计算时间为3d，荷载子步长为1h，计算求得箱梁早期水化热各个时刻的温度场。然后再改变单元类型，确定混凝土的结构材料特性，删除所有热载荷并施加结构约束条件，读入热分析所得的温度结果，将其作为温度作用施加到箱梁分段上进行结构分析，最后得到箱梁早期的温度应力。

3.2 混凝土桥梁桥墩结构的温度效应设计

①桥墩混凝土结构在受温度效应影响的分析中，日照温差是温度效应设计中需要考虑的主要因素。混凝土结构桥墩和桥梁可以选择的连接结构形式很少，为对温度效应进行分析和研究，必须结合桥梁所在地的具体气象情况来选择特定的连接形式。②实际情况中，部分桥墩会处于长期浸水的状态，在保证高要求施工的同时，不可避免地会出现非线性温差应力。因此经过长期使用后，桥墩极易出现应力集中现象，这对桥梁质量和未来的运营都将造成非常恶劣的影响。③加强桥梁设计过程中的桥墩约束设计。桥梁结构受到的约束包括：桥面板和桥墩之间的约束以及桥墩底部与地基之间的约束，因此结构具有较强的整体性和稳定性。在温度场的影响下，温度应力会对桥墩结构产生较强的约束力，受其影响，桥墩可能会出现一定的横向位移。

3.3 施工与养护温度控制

如果在炎热的天气下开展混凝土浇筑施工，可以采取分层浇筑的方式去完成，每层浇筑厚度要控制在法规限定的范围之内，不可过厚，这样才能够确保浇筑物的整体散热能力，防治出现裂缝，同时可以借助预埋水管的方式去降温。对于拆模的时间也要合理调整，如果出现急剧降温的情况，为了避免温差过大，需要做好表面保温。养护的主要目标便是为了防止出现裂缝，降低混凝土内外温差，外部的覆盖物，可选择稻草袋或者是塑料膜等等，覆盖层温度需要依照科学的方式去完成计算，不能凭借主观经验去进行调整。

3.4 常用保温隔热涂料

保温隔热涂料相较于板材施工更加快捷，在保证保温隔热功能的同时兼具了提高构件耐久性的功效，但是缺陷在于保温性能较泡沫板材差。因此保温隔热涂料常使用于年平均气温变化不大、高温高湿、降水多或光照时间长的环境中。根据保温原理不同，保温隔热材料可以分为：辐射型、阻隔型和反射型三大类。其中反射型材料是工程中最常见的保温隔热涂料[3]。

4 结语

综上所述，在混凝土浇筑早期，混凝土体温度上升阶段，混凝土内部沿长度方向的应力主要为压应力；当混凝土内部温度达到最高后开始降温，结构内变形由膨胀逐渐变为收缩，内力由压应力逐渐变为拉应力；最后，混凝土内外混凝土温差趋于稳定，混凝土温度应力也逐渐平稳。此时温度应力主要受外界环境变化影响。本文从桥梁温度场内涵出发，分析了混凝土桥梁温度效应设计的四个要点，以期为未来的混凝土桥梁结构设计提供参考。