混凝土桥梁设计中的温度效应研究

2021-06-12王琳琳

黑龙江交通科技 2021年5期

王琳琳

(北京中咨华安交通科技发展有限公司，北京 100098)

0 前言

钢材与混凝土作为桥梁中的最为主要的两种建材，其在力学性能方面有着明显的差异，将两者进行组合，形成钢-混凝土组合桥，能够互补两种材料各自的优势，避免其缺点。连续的刚构桥其梁体是连续的状态，具有行车平顺的优势，同时还具有不设支座、不转换体系的特点，其内力分布相对而言更加合理，主梁之间的弯矩减小，跨径增大。桥梁需要承受太阳辐射、气候变化、天气影响、昼夜温差等多个方面因素的影响，而这些因素都会导致桥梁结构产生复杂的温度分布，同时还会由于温度的变化而导致结构出现变形和应力。对于组合桥梁温度分布的差异一方面表现在温差的不同，另一方面表现在温度分布形式方面的差异。当外部温度发生变化时，钢梁的温度变化要快于混凝土的变化速度，两者之间的不同步的温度变化会导致桥梁不同结构处出现显著的温度差，进而产生显著的约束应力，在严重的情况下会导致桥面板的开裂、支座的抬起等病害。

1 混凝土结构的温度效应理论

1.1 温度对结构的影响

对于大跨度连续梁来说，常年累月的温度变化，容易使桥梁出现纵向的位移，这样的位移能够通过桥面的伸缩缝以及支座位移等构造进行削弱或者消除。但是对于连续刚构桥，梁的纵向位移会受到主墩的影响，使主墩会产生较大的弯矩。日照辐射以及气温的骤变是引起结构产生温度应力以及变形的主要因素，首先需要确定桥梁各个构件的温度场、温度梯度模式以及温度设计值的大小与实际状况的接近程度，而这也正是准确计算温度应力以及变形的关键所在。待确定了温度场，温度应力则可以按照结构力学或者有限元的方法进行计算。温度的变化能够严重的影响结构的受力和变形，且随着温度分布的不同，影响的程度也会有变化，需要对同一位置不同结构状态进行测量，保证控制的有效性和准确性，需要严格的控制线形和应力。此外桥面一面会受到阳光的照射，而另一面由于靠近水温度较低，湿气较大，容易造成桥面的两侧温差较大，对桥面的变形控制较为不利。

1.2 温度变化对施工控制的影响

温度的变化会引起桥梁结构的受力状态和变形受到不同程度的变化，如果在桥梁的建设过程中不能够对温度进行充分的考虑，就会对结构的真实数据产生影响，同时也难以确保控制的有效性以及准确性。多跨的连续桥梁，其特点是施工的周期长，很多项目段的工期都需要几个季节才能够完成，不同的季节其温度也是有着显著的差异，所以会导致其导致的影响也会增加，因此必须加以重视。其次就是应力的控制，尤其是对于截面尺寸较大的箱梁。

1.3 温度分布的特点

影响混凝土温度分布的因素主要包括两个方面，其一是包括了太阳辐射、雨雪天气、寒流，降温等的外部因素；其二则是包括混凝土物理性质、构件形状等在内的内因。其中配合料对内因的影响较大，起到主要作用的是骨料，一般骨料混凝土和轻质骨料混凝土的热导系数分别为1.86～3.49 W/(m·℃)、1.16 W/(m·℃)，普通骨料混凝土比热为800～1 200 J/(kg·℃)，约为轻质骨架混泥土的1.6倍。而混凝土的龄期与水灰比对热工参数的影响较小。

不管是混凝土构件表面还是内部，其温度都在随时发生着变化，温度荷载主要可以划分为三类，其具体的形式和特点等如下表1所示。在桥梁结构发生变化时，太阳的辐射强度、气温的变化以及风速起到了主要的作用。太阳辐射对骤然降温的影响很小，风速和气温变化的影响则比较大，出现骤然降温一方面是受到了冷空气的影响，另外一方面就是昼夜温差导致的温度外低内高现象。而年温变化整个过程较为缓慢，通常会将平均气温作为变化的主要依据。

表1 温度荷载特点汇总表

2 桥梁工程中常用的温度效应控制措施

温度效应对混凝土桥梁最大的影响就是桥梁内部的结构由于温度分布差异而产生裂缝，为了防止或者缓解温度效应的桥梁的破坏，通常会采取一系列控制措施。主要可以分为预防性控制措施和补救型控制措施。所谓的预防性控制措施就是在温度效应导致的桥体裂缝之前采取措施进行防治；补救型措施则是由温度效应引发的桥体出现裂缝之后采取的控制措施。

2.1 温度效应预防性控制措施

通过设置保温隔热材料降低温度效应对桥梁混凝土构件产生的影响，保温材料通常可以划分为保温隔热板和保温隔热涂料。隔热板的导热系数通常低于0.2 W/m·℃，且密度也较小，能够防止降低桥梁构件的承载力，其中具有代表性的材料有聚苯乙烯和聚氨酯。常用的保温隔热涂料比板材施工更加方便，同时还有提高构件耐久性的功能，但是其保温效果相对泡沫板材较差。保温隔热涂料常应用于年平均气温变化较小、高温高湿、降水较丰富或者光照时间长的环境当中。保温隔热材料通常可以分为辐射型、阻隔型、反射型。

2.2 温度效应补救型控制措施

温度对组合桥梁所产生的最大问题是温差不均出现的桥面开裂。裂缝主要有三种形式，分别为浅层裂缝、深层裂缝以及贯穿裂缝。要提出相对的控制措施，其首先需要做的是搞清楚裂缝产生的原因以及对桥梁所产生的影响。组合桥梁中由于温度而引起的裂缝以浅层和深层的居多，贯穿裂缝不常见。当内部条件限制或者是约束了结构的自由变形，就会导致结构之间出现温度应力，如果在此时的温度应力又大于混凝土的抗拉强度，就会出现混凝土开裂的现象。所以在桥梁设计的过程中就需要优选受力性能好的材料，此外还应该具备良好的抗裂性能，提升其抗拉强度。由温度效应所产生的裂缝也并非是一瞬所完成的，其发展需要一个过程。如果结构的温度变化能够以较慢的速度进行，在这个变化的过程中，温度应力越小，结构的变形也就会越小。

(1)桥梁设计方面

重视由于温度应力所导致的非结构性裂缝，通过设置横向预应力钢筋提高结构抗裂能力。同时需要注重构造钢筋的配置，温度荷载作用会导致材料的不协调变形，所以需要注意钢-混凝土结合的地方，在薄弱地区设置抗裂钢筋来防治混泥土开裂。应当根据桥梁所在的实际环境温度来选择合理的桥梁结构温度梯度模式。此外可以适当的增加桥面板铺装层的厚度，将铺装层的颜色设置较浅，通过涂刷浅色反光、散热性好的涂料来减小不同结构之间的不协调变形。

(2)桥梁施工方面

首先需要控制混凝土和钢材的质量，在保证混凝土强度的情况下，降低水泥的消耗量，减少单位体积的水化热，防止产生过大的温差效应，另一方面也需要降低水灰比来减少混凝土的收缩裂缝。确定最佳的混凝土浇筑温度和钢架的安装温度，对拆模的时间合理的把控，避免过早拆除而造成的内外温差较大，同时在拆模之后在混凝土梁的表面覆盖一层保温保湿的材料，能够有效的减小混凝土的表面出现过大的拉应力。最后就是对混凝土采取保温保湿措施，严格的按照结构温度应力进行控制，分时段分批次的进行保温层的拆除。