混凝土箱梁日照温度效应研究

2023-08-08刘丽思李晓章丁浩

中国水运 2023年7期

刘丽思，李晓章，丁浩

（1.云南交通职业技术学院，云南昆明 650500；2.昆明理工大学建筑工程学院，云南昆明 650500）

工程界发现混凝土结构频繁产生裂缝，出现安全隐患，每年对此类结构进行加固、重建，造成了昂贵的经济开支，因此工程界针对裂缝问题展开了一系列研究，研究表明混凝土结构设计时不可忽视温度作用，本文依托滇西南某工程，进行了温度场和位移场的多物理场分析，总结混凝土箱梁的温度应力规律，并且对温度效应的处置措施进行研究。本文相关研究，为今后混凝土箱梁设计、养护提供参考价值，对日照环境下混凝土箱梁的抗裂性和耐久性具有一定的指导意义。

1 温度场计算理论

1.1 热传导方程

温度场的建立满足质量守恒定律和能量守恒定律，本文基于傅里叶热传导定律建立混凝土瞬态热传导方程，如下：

1.2 边界条件

在自然条件下，结构的温度场边界示意图如下图1所示[1]。上述边界条件计算方法详见文献[2]。

图1 箱梁边界温度荷载示意图

2 模型建立

2.1 数值模型材料参数

本文依托工程为滇西南某简支混凝土箱梁桥，上部混凝土箱梁截面图如下图2 所示。

图2 混凝土箱梁截面图（cm）

箱梁断面尺寸顶板宽12m，厚0.6m，底板宽6.5m，厚0.8m，总高5.5m，悬臂长度2.75m，最外侧厚0.2m，通过两个倒角1.7m×0.32m 和1.05m×0.45m 变化悬臂根部厚0.77m，腹板厚度0.8m，箱室内倒角均为0.5m×0.5m，混凝土等级为C50。

本文研究混凝土日照温度效应时C50 混凝土各参数取值如下表1 所示：

表1 温度场混凝土参数取值表

2.2 边界条件计算

根据前文分析，温度场三种边界计算时一般统一转换为对流换热，通过综合换热系数将太阳总辐射量转换为等效环境温度。如图3 所示，当计算箱梁外表面综合换热系数时，风速取当天记录风速3m/s，箱梁各表面综合换热系数如下表2 所示。

表2 箱梁各表面综合换热系数（W/（m2·℃））

图3 箱梁各面综合环境温度

3 日照效应研究

3.1 应力分析

结构的应力大小是衡量结构安全与否的一个重要指标，本节对日照效应产生的第一主应力进行研究，提取一日内各时刻的箱梁第一主应力绘制曲线图如下图4所示，一日内的日照峰值应力如图5 所示。

图4 应力时程图

图5 峰值应力云图

由上图4 可知，从早上6 点时刻太阳升起时会产生0.17MPa 的拉应力，随着太阳升起温度逐步升高，阴阳面腹板温度差值增大，顶板温度也随之增高，到14 点时一天内温度最高，同时拉应力也达到最大值5.01MPa，经过14 点时刻后，混凝土箱梁所产生的拉应力值逐渐减小。

由图5 可知，混凝土箱梁一日内产生的峰值拉应力为5.01MPa，可作为日后设计三向预应力箱梁时横向和竖向预应力束的控制应力。最大拉应力位置出现在阳面腹板内表面与顶板内表面相交处的倒角位置，这是因为阳面腹板的温度比阴面腹板温度高，产生的热膨胀就更大，与顶板热膨胀叠加后，最大拉应力位置就会出现在偏阳面腹板处，不仅最大拉应力点出现在偏阳面腹板位置，且阴阳面腹板产生拉应力的区域也呈现出阳面腹板侧偏大。

3.2 处置措施研究

研究表明将油漆涂抹至混凝土表面可对可见光和近红外光进行高反射，改变混凝土表面辐射吸收率[3]，使物体表面吸收的太阳光能量减少，物体累积的热量减少，达到控制结构温度的作用。将混凝土表面涂为白色，混凝土表面辐射吸收系数可由0.6 降低至0.12-0.16 之间[4-5]。本节假设将箱梁阳面位置涂抹为白色，其他位置颜色保持不变，来研究涂抹油漆的措施对混凝土结构湿热效应的控制效果。

为了研究表面涂抹白色油漆的措施对混凝土结构温度效应的控制效果，列出箱梁在一日内的峰值应力云图，如下图6 所示。

图6 峰值应力云图

由图6 可知，在阳面腹板涂抹为白色后，箱梁产生最大拉应力的位置同样出现在阳面腹板内表面与顶板内表面相交处的倒角位置，但应力值从5.01MPa 降低至1.66MPa，温度应力减小了66.8%。结果说明在结构外表面涂抹白色染料，不会改变结构日照效应产生最大拉应力的位置，但能够调节混凝土结构表面辐射吸收系数，降低结构吸收的太阳能，有效减小日照效应产生拉应力的数值，达到控制混凝土温度效应的效果。在后续混凝土结构设计施工时，可在结构外表面涂抹白色等浅色油漆，来达到控制混凝土温度次内力的作用，同时使用浅色油漆在建筑物外表面绘制图案，使建筑物更加美观，符合中国安全、适用、经济、美观的建筑方针。