大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋日照溫度場研究★

李姍姍 朱 蕾 顧 斌 傅嘉誠 黃 銘

(江蘇大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋日照溫度場研究★

李姍姍 朱 蕾 顧 斌 傅嘉誠 黃 銘

(江蘇大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

通過對某特大連續(xù)剛構(gòu)橋運(yùn)營期的溫度和氣象的觀測，在實(shí)測的基礎(chǔ)上，研究了箱梁橋在日照輻射作用下的溫度場及其變化規(guī)律。結(jié)果表明：日照輻射作用下，箱梁有較大的豎向溫度梯度變化，當(dāng)?shù)装遢^厚時(墩頂)，底板與腹板存在負(fù)溫差現(xiàn)象；一年中箱梁的梁內(nèi)空氣溫度受大氣溫度的影響，隨著時間的推移明顯呈正弦規(guī)律變化。以上發(fā)現(xiàn)對同類橋梁地域溫度效應(yīng)的分析具有參考價值。

混凝土箱梁，日照輻射，溫度場，豎向溫度梯度

自然環(huán)境對箱梁橋的影響可以分為年溫度效應(yīng)和局部溫度效應(yīng)。局部溫度效應(yīng)指由于日照輻射和大氣環(huán)境溫度的劇烈變化，使混凝土箱梁的外部溫度發(fā)生顯著的變化(升高或降低)，而內(nèi)部的溫度受自然環(huán)境影響較小，基本保持原狀，顯著的內(nèi)外溫差產(chǎn)生了溫度應(yīng)力[1]。研究表明這種應(yīng)力很大甚至超過橋梁活載和恒載產(chǎn)生的應(yīng)力，是此類橋梁產(chǎn)生裂縫的主要原因[2]。

橋梁是公路鐵路線路的重要組成部分，國內(nèi)外研究表明，目前世界新建橋梁中大部分箱梁橋，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)箱型截面梁橋和其他預(yù)應(yīng)力空心梁橋占到30%～35%[3]。由于溫度應(yīng)力而造成的橋梁損壞已經(jīng)成為這類橋梁的主要病害，如我國的通惠河混凝土連續(xù)箱梁橋、湖北光華大橋、和臺兒莊大橋的箱梁均出現(xiàn)了嚴(yán)重裂縫[4]，所以對于這類橋梁的研究具有非常重要的意義。Lee(2012)[5]使用數(shù)值模擬和試驗(yàn)方法對混凝土工字形梁的溫度場進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)規(guī)范對工字形梁溫度梯度的規(guī)定并不合理，為此提出了適合工字梁的豎向和橫向溫度梯度模式；Chai(2013)[6]對美國加利福尼亞州北部的一座輕骨料鋼筋混凝土箱梁橋的溫度分布進(jìn)行了觀測，并與美國規(guī)范進(jìn)行了對比，結(jié)果表明，在頂板以下0.4 m范圍內(nèi)，溫度梯度曲線與規(guī)范的規(guī)定較為相似，而0.4 m以下則不盡相同；Sallal(2016)[7]在伊拉克瓦西特省大學(xué)的校園內(nèi)，對混凝土箱梁的溫度場進(jìn)行了試驗(yàn)研究，對日照輻射作用下箱梁頂?shù)装鍦夭钸M(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析研究。我國宋志文(2010)[8]通過高性能混凝土導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出不同參數(shù)對高性能混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響規(guī)律；吳金鑫(2011)[9]對浙江淳安城中湖南路2號橋的溫度場進(jìn)行了觀測，分析了各個季節(jié)日照輻射條件下混凝土箱梁豎向溫度梯度分布變化的情況；單巍巍(2014)[10]對一座曲線連續(xù)箱梁橋的日照溫度場進(jìn)行觀測，并根據(jù)橋位和橋梁走向，構(gòu)造了二維溫度梯度模式；孫維剛(2015)[11]對甘肅省永古高速公路柳條河大橋的日照溫度場進(jìn)行了現(xiàn)場溫度觀測，并對箱梁截面溫度時程曲線進(jìn)行了擬合；顧穎(2016)[12]年基于ASHRAE晴空模型，運(yùn)用ANSYS軟件模擬太陽輻射作用下某混凝土箱梁的溫度場深入研究了太陽輻射作用下混凝土箱梁溫度場的三維分布。國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對箱梁溫度場進(jìn)行了很多研究，我國公路設(shè)計(jì)規(guī)范也對此做出明確的規(guī)定。但由于我國地域遼闊，氣候多樣，東西差異較大，橋梁走向各異，仍需有進(jìn)一步的探討。本文通過2009年一年的實(shí)測數(shù)據(jù)對長江下游某大跨度箱梁日照溫度場的變化規(guī)律進(jìn)行研究，為同一地域此類橋梁的設(shè)計(jì)和溫度效應(yīng)的分析提供參考。

1 混凝土箱梁溫度場的觀測

觀測橋梁為長江下游某大跨度預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋，跨度548 m，橋面鋪裝11 cm厚瀝青混凝土。為了全面考慮橋梁不同縱向位置，同一截面不同高度的溫度分布情況，在上、下游分別選取2個箱梁斷面作為溫度觀測面，墩頂溫度測點(diǎn)分布圖如圖1所示，同時為了研究環(huán)境溫度改變對箱梁內(nèi)空氣溫度的影響規(guī)律，在箱梁外部和內(nèi)部分別布置了大氣溫度測點(diǎn)，溫度自動采集持續(xù)2009年一年時間，每隔1 h記錄一次數(shù)據(jù)。

2 混凝土箱梁溫度場的分析

2.1環(huán)境溫度變化

箱梁內(nèi)空氣溫度受大氣溫度的影響，為了研究其影響規(guī)律，本文分析的數(shù)據(jù)取自于2009年一年，0點(diǎn)為2009年1月1日0:00。從全年來看，墩頂箱梁內(nèi)部空氣溫度和環(huán)境溫度的觀測數(shù)據(jù)結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出，梁內(nèi)空氣溫度受大氣溫度的影響，變化趨勢與其相同，都近似呈正弦變化。梁內(nèi)空氣溫度整體上高于環(huán)境溫度，但在某些局部時間區(qū)域內(nèi)環(huán)境溫度出現(xiàn)大幅度的升高而高于梁內(nèi)空氣溫度。從整體來看梁內(nèi)空氣溫度的變化幅度遠(yuǎn)小于大氣溫度，大氣溫度在觀測范圍內(nèi)的溫度變化幅度-3 ℃～35.8 ℃，日最大溫差15.7 ℃；箱梁內(nèi)空氣溫度變化范圍在觀測時間一年中1.62 ℃～37 ℃，日最大溫差4.7 ℃。

2.2日照輻射下箱梁溫度的變化

2.2.1箱梁頂板溫度

為了反映日照輻射下箱梁內(nèi)部的不利溫度變化，選取夏季晴朗溫度較高的3 d(7月17日～7月19日)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。圖3為墩頂箱梁頂板溫度隨著深度加深的變化規(guī)律(溫度取值為同一深度所有測點(diǎn)對應(yīng)位置混凝土溫度平均值)。在距頂板0.33 m處，由于有瀝青混凝土的保護(hù)，溫度雖仍呈正弦趨勢變化，但變化幅度相對于大氣溫度變化幅度7.02 ℃已減小很多，大概為2.6 ℃；0.66 m處受大氣溫度的影響已經(jīng)很小，變化幅度為1 ℃；0.99 m處的溫度變化幅度只有0.6 ℃。由圖3可以清楚看出距表面越遠(yuǎn)受環(huán)境大氣溫度的影響越小，內(nèi)部溫度基本保持原狀。

2.2.2箱梁腹板溫度

圖4為墩頂箱梁腹板橫向溫度比較。由圖4中可知外側(cè)腹板溫度較高，溫度大致成正弦規(guī)律變化，內(nèi)側(cè)溫度由于全天不受日照作用，受日照輻射的影響較小，溫度基本不變，變化幅度僅為0.5 ℃左右。由于墩頂腹板混凝土厚度達(dá)到1 m，在日照輻射作用下存在明顯的橫向溫度梯度，1號測點(diǎn)處與最外側(cè)受大氣溫度影響較大而變化幅度最大，隨著深度的增加，變化幅度逐漸減小，橫向最大溫差為4.5 ℃。

2.2.3箱梁底板溫度

箱梁底板全天不受日照輻射作用，故太陽作用對底板溫度的影響很小，變化幅度較小。墩頂箱梁底板溫度如圖5所示，由于墩頂梁底板較厚，3個測點(diǎn)埋深較深(由底板外表面至內(nèi)算起)，故一天中混凝土溫度波動很小。

2.3日照輻射作用下箱梁的豎向溫度梯度

選取2009年一年中溫度較高，天氣晴朗屬于典型工況的一天(7月17日)為例，進(jìn)行分析，這一天的墩頂豎向溫度梯度圖如圖6所示。由圖6可知，豎向溫度梯度在20:00左右達(dá)到最大值，在距頂板0.5 m深處與腹板有最大溫差3.5 ℃，箱梁底板處由于基本全天處于陰影位置，受日照輻射作用小，并且江水的溫度低，在與底板進(jìn)行熱交換時也降低了底板的溫度，所以底板溫度在一天之中也基本都低于腹板溫度。頂板由于有11 cm厚瀝青混凝土鋪裝層的保護(hù)，溫度在夜間并沒有出現(xiàn)大幅度降低，所以一天之中頂板的溫度基本都高于腹板溫度。故對于高度較大的底板存在的負(fù)溫差現(xiàn)象也應(yīng)給予足夠的重視。

2.4日照輻射作用下箱梁的橫向溫度梯度

圖7為墩頂腹板橫向溫度梯度，上游西側(cè)腹板在上午時并未受到充分的日照，所以在9：00時腹板最外側(cè)混凝土溫度并沒有升高，下午時，西側(cè)腹板陸續(xù)受到太陽輻射而溫度升高，并最終達(dá)到最大值34.8 ℃。隨著距腹板外側(cè)距離的不斷加大，溫度逐漸降低，最大溫差達(dá)到3.6 ℃。墩頂箱梁內(nèi)側(cè)由于基本全天不受到太陽輻射溫度更低，但仍存在較大的橫向溫差。

3 結(jié)語

1)一年內(nèi)，箱梁的梁內(nèi)空氣溫度由于受到大氣溫度的影響而呈正弦規(guī)律變化，且梁內(nèi)空氣溫度基本都高于大氣溫度。2)箱梁頂板內(nèi)隨著深度的增加，溫度變化幅度逐漸減小，距頂板表面0.5 m內(nèi)測點(diǎn)處混凝土溫度隨時間仍呈正弦規(guī)律變化，距箱梁頂板0.9 m左右處測點(diǎn)溫度則基本保持不變，與大氣溫度之差最大為7.02 ℃，最小只有0.6 ℃。3)箱梁腹板由于所處位置的影響，外側(cè)腹板溫度高于內(nèi)側(cè)腹板溫度。4)箱梁的底板由于全天不受到日照輻射作用，受大氣溫度的影響很小。底板較厚時在夜間會出現(xiàn)負(fù)溫差現(xiàn)象，箱梁沿截面高度有著較大的非線性溫度梯度，應(yīng)給予重視。

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Studyonthetemperaturefieldofalongspancontinuousrigidframebridge★

LiShanshanZhuLeiGuBinFuJiachengHuangMing

(CollegeofCivilEngineeringandMechanics,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China)

According to the observation on temperature of a long continuous rigid frame bridge during operation period, the temperature field and its variation laws of concrete box girder under solar radiation were discussed based on measured data. Results show that the measured temperature gradient of box girder is very big under solar radiation and the temperature difference between floor and web can be negative when the thickness of floor is rather thick, for example the pier-top. The air temperature in the box girder changed sinusoidally during a year influenced by atmospheric temperature. These discoveries are of some value for the temperature effect analysis of the bridge that located at other similar area.

concrete box girder, solar radiation, temperature field, vertical temperature gradient

1009-6825(2017)32-0138-03

2017-09-07 ★:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51641804)；江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(BK20160536)；江蘇大學(xué)高級人才科研啟動基金資助項(xiàng)目(15JDG170)；江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練省級重點(diǎn)項(xiàng)目(5551480007/5551480009)

李姍姍(1995- )，女，在讀本科生； 朱 蕾(1995- )，男，在讀本科生； 顧 斌(1986- )，男，博士，講師

U448.23

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