日照作用下混凝土箱梁温度分布观测与分析

孙舒畅

（武汉工程大学,湖北 武汉 430074）

1 概述

在改革开放以来,我国公路建设事业快速发展。在我国南方地区,由于湖泊河流众多,桥梁占公路总里程的比例可达十分之一以上。对于桥梁的上部结构,箱型截面因其抗扭惯性矩较大、且在施工和使用过程中具有良好稳定性成为了桥梁上部结构的首选截面形式。由于桥梁结构长期暴露于自然环境中,受日照辐射、空气流动和环境温度等因素影响,箱梁结构的温度场会表现出明显的随机性、时变性和非线性,由温度作用产生的混凝土箱梁的应力和变形直接影响到混凝土结构的安全性、耐久性和适用性,对桥梁结构的内力有显著影响[1-3]。理论分析和实验研究均表明,温度作用在某些气候极端的条件下会超过其他荷载成为第一控制作用,对桥梁的安全运营造成较大的危害。对于预应力混凝土箱梁来说,温度作用是造成混凝土开裂的主要影响因素之一。由于混凝土的热传导系数通常在1.86～3.49W/（m℃）,热传导效率不高。当外部环境温度发生变化的时候,混凝土表面的温度跟着环境变化而迅速变化,而混凝土内部的温度变化则相对较为缓慢,由此产生不均匀的温度分布,会引起非常大的温度应力。其中日照作用因其作用范围的局部性,时间上短时急变导致桥梁结构受到日照作用时温度变化表现最为复杂。因而,日照作用对桥梁结构的影响已成为国内外学者关注的主要焦点之一,而建立精确的桥梁温度场是研究其效应的基础和前提。

国内外学者对于混凝土箱梁结构受到日照作用下的温度分布规律开展了许多工作,认为桥梁温度场随着桥梁位置、截面尺寸形式、日照辐射强度等因素的不同而改变[4-8]。为了便于桥梁的工程设计,各国在桥梁设计规范中对箱梁的温度分布给出了不同的温度梯度模式。其中我国《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）[9]、美国AASHTO 规范[10]、欧洲规范[11]等规范采取多折线的温度梯度模式,文献[12-14]中通过实测数据和理论分析提出箱梁截面由顶板至底板以上的温差模式可用指数曲线的形式来表示。由于混凝土箱梁温度场具有明显的区域性,且不同的箱梁截面形式和布置特点所呈现的温度分布也大不相同,所以在实际应用中不能简单地套用某一地区的温度梯度模式,而必须通过实测温度数据来分析研究符合本地区的混凝土箱梁的温度梯度模式。而相比于通过有限元数值模拟得到的温度场,其结果对于边界条件的选取十分敏感,具有明显的不确定性,现场实测的温度数据更能反映桥梁运营时期的真实状况。因此,随着桥梁工程的发展,鉴于温度作用对于桥梁结构的影响,更好地观测与分析桥梁温度场,研究其温度场的分布规律,对于提高结构的安全性和和延长桥梁的使用寿命具有非常重要工程实际意义。亦对于完善混凝土箱梁设计理论具有重大的参考价值。

2 箱梁温度观测截面测点布置

新五黄立交B 五联匝道桥,其结构为5×21.36m 等截面混凝土曲线箱梁,南北朝向。匝道桥为10m 宽钢筋混凝土箱梁,曲率半径2000m,采用单箱单室截面,箱梁顶板宽10m,挑臂长2.5m,厚度0.15～0.4m,底板宽5m,箱梁截面高度为1.5m。

为了反映在日照作用下混凝土箱梁的实际温度变化规律,在接近跨中截面的1-1 截面处,布置了28 个LTM8877 温度传感器（测量范围为-55～+125℃,在-10～+85℃范围内精度为±0.5℃）。箱梁截面温度测点布置如图1 所示。

图1 箱梁截面温度测点布置图

3 温度观测数据分析

因混凝土导热系数较低,且受到箱梁空间尺寸上的影响,从国内外混凝土箱梁温度场观测数据来看,在日照辐射的作用下,箱梁顶板温度高于腹板、底板的温度,且竖向温差较大。因此从新武黄立交桥混凝土箱梁温度检测数据中选取了夏季太阳辐射较为强烈的几天进行分析。根据气象局所查的资料,选取2019 年8 月17 日至19 日三天的观测数据进行分析。温度测试频率为每四小时一次。三天最高环境气温均为38℃。下图中0 时刻均为2019 年8 月17 日0 时。

3.1 箱梁顶板混凝土温度分布

根据箱梁截面温度测点实测数据显示,在日照作用下,箱外遮荫气温和各测点的温度测试数据随时间变化基本呈周期为24 小时的正弦曲线变化,由于各测点的深度的不同,其温度变化幅值也有所不同。

分析图2 与图3 可以得出, 箱梁顶板上下表面各测点位置的混凝土温度变化规律几乎一致, 均呈明显的正弦变化趋势。但由于我国处于北半球,西侧位置的辐射角小于东侧位置,西侧吸收的太阳辐射略高于东侧,从而致使由于位于顶板上下表面西侧16、22 测点温度始终略高于位于东侧2、8 测点温度。箱梁顶板东西两侧横向温差不大,最大温差不超过2℃。

图2 箱梁顶板上表面测点与箱外遮荫气温

图3 箱梁顶板上表面测点与箱外遮荫气温

整体来看,顶板温度在当日11 时左右达到最低值,在21 时左右达到温度最高值,16 时左右温度变化速率最快。说明太阳辐射在6 时左右开始增强,致使箱梁温度下降速率减小；在16 时左右达到最大值,致使箱梁温度上升速率达到最大值；在21 时左右太阳辐射减弱至最低,致使箱梁温度在此时达到最大值,随后温度开始下降。由于受到较强烈的太阳辐射的影响,箱梁顶板上表面的混凝土温度明显高于同一时刻的箱外遮荫气温,最高温度约为41℃。

对比箱梁温度测点与箱外遮荫温度数据,由于混凝土的导热系数较低且由于温度测点埋置深度于顶板表面3cm 以下,不能受到阳光直射,因此顶板表面以下测点位置的混凝土温度达到最大值和最小值的时间比箱外遮荫温度测点要延迟到3 到4 个小时。

3.2 箱梁腹板混凝土温度分布

分析图4 可以得出,腹板混凝土温度在当日16 时左右达到最大值,在当天4 时左右温度达到最低值,14 时左右温度上升速率最快。腹板中心截面靠近箱内测点13混凝土温度变化幅度大于其他部位,腹板内部测点11,12 混凝土温度变化幅度相对较小；升温过程中,由于箱室内温度上升速度高于外界气候环境温度,因此内表面温度变化速率高于外表面温度变化速率,且两者温差逐渐增大,当箱梁温度达到最大值时,温差也达到最大值约2℃；降温过程中,内外两侧温度逐渐下降,温差减少,内外最低温度基本一致,温差不超过1℃。

图4 箱梁东侧腹板中心截面测点实测温度

3.3 箱梁沿截面高度混凝土温度分布

图5 中16、22 号测点为顶板上下表面测点,23、24、25 号测点为腹板从上至下所布置测点。图中0 时刻为2019 年8 月17 日0 时。

图5 箱梁沿截面高度测点实测温度

分析图5 可以得出在日照作用下箱梁沿截面高度混凝土温度存在较大的温差,在18 日20 时达到最大温差,最大值可达7℃。箱梁腹板以下由于箱梁翼缘板的遮挡,无法受到太阳直射,所以23、24、25 号三处测点温度变化几乎一致,温度上升速率明显低于顶板混凝土测点,在当日16 时腹板混凝土温度升至最高值,相较于顶板混凝土测点温度达到最高值的时间晚大约5 至6 个小时。腹板混凝土三处测点温度达到最高值的数值几乎一致。

3.4 箱梁混凝土沿截面高度温差分布模式

通过对上述箱梁混凝土温度测点在温度观测周期内的数据的分析,可以看出,顶板西侧混凝土测点温度变化幅度较大；箱梁腹板混凝土各温度测点因翼板遮挡的影响,无法受到太阳辐射作用,在观测周期内的变化都较为稳定。因此考虑将东侧顶板沿板厚方向的测点以及沿腹板高度方向的测点的观测温度来研究箱梁混凝土沿截面高度的温差分布模式。

表1 箱梁截面最大竖向温差表

分析混凝土箱梁温度测点数据可以得到,在2019 年8 月19 日4 时达到最大竖向温差值,最大值可达7.31℃。通过对混凝土箱梁截面实测温差数据进行曲线拟合,发现与我国铁道部《铁路桥涵混凝土结构设计规范》（TB10092-2017）[15]中规定的温度梯度曲线形式相似。因此采用式（1）对混凝土箱梁沿截面高度温差进行数值拟合。

式中：T0为箱梁截面竖向温度最大温差（℃）；

T(y)为计算点的温度差值；

y 为计算位置到顶板最上部距离(m)；

a 为参数。

通过最小二乘法拟合最终得到混凝土箱梁竖向温度梯度为

由于桥址方位、箱梁截面尺寸以及地理环境气候因素的不同,与我国现行铁路规范相比,在同一水平位置所求得的温差值小于规范要求。由此可知在不同地理环境下,混凝土箱梁竖向温度梯度存在着明显区别,需要做到一桥一分析。

图6 箱梁截面温差分布

4 结论

本文基于混凝土箱梁的实测温度数据, 分析研究了混凝土箱形梁桥的温度场分布规律, 并提出了适合该桥地区的温度梯度模型,为现行规范的修订提供合理的建议, 并为后续混凝土箱梁的温度作用的评估与计算做好了铺垫。主要结论如下：

4.1 混凝土箱梁在日照作用下温度测点数据与箱外遮荫气温随时间变化的规律基本一致,呈正弦曲线变化,其变化周期均为24 小时。由于受到日照作用的影响,箱梁顶板混凝土在同一时刻的气温均大于箱外遮荫气温,最高温可达41℃。因混凝土导热系数较低,在顶板混凝土达到日最高气温的时刻比箱外遮荫气温达到日最高值的时刻晚3 至4 个小时。

4.2 箱梁腹板与顶板混凝土在同一天变化趋势存在差异,腹板混凝土温度在当日8 时左右开始上升,14 时左右温度变化速率最快,16 时达到气温最高值；顶板混凝土温度在当日11 时左右开始上升,16 时左右温度变化速率最快,21 时达到气温最高值。腹板混凝土温度测点沿板厚方向日温变化趋势基本相同,靠近箱内混凝土温度测点日温变化速率略高于外表面测点。

4.3 混凝土箱梁沿截面高度的温差呈非线性分布,最大竖向温差值可达7.3℃。由顶板至腹板最下部温差分布模式可用指数函数 来描述。