預應力混凝土箱梁溫度效應試驗

向 南，余佳玉

(重慶交通大學土木建筑學院，中國 重慶 400074)

隨著預應力混凝土箱梁橋跨度的增大，主梁長期下撓超限問題也日益突出。研究表明，影響預應力混凝土箱梁橋下撓的主要因素有:預應力損失、裂縫作用、運營超載等，近年來。日照溫差的影響也受到人們的關注［1］。事實上，結構暴露在大氣中，將受到外界各種溫度的影響，其中，日照溫差的影響較為嚴重，這是因為混凝土材料導熱性能差，日照溫差使結構內外表溫度不一致，內部產生溫度梯度，從而導致結構產生溫度變形［2］。箱形截面具有良好的結構性能，在大跨徑橋梁截面形式中廣泛應用，筆者主要通過試驗了解箱形截面梁在溫度效應下變形特性，即通過人工控溫的方法對箱梁進行反復作用，分析日照溫差對預應力混凝土結構變形的影響。

1 模型設計

1.1 箱梁模型設計

箱梁計算跨徑5.96 m，頂板寬2.4 m，底板寬1 m，高0.8 m，翼緣板端部5 cm，其余板厚為8 cm。模型澆筑先底板后腹板及頂板，經30天養護后張拉預應力;模型澆注時間相同，均為一次澆筑完成。2組模型的混凝土強度等級均為C50，配筋縱向均為HRB335 級，箍筋為 R235 級［3］。

1.2 試驗對照用工字梁模型設計

為了避免因箱梁自重、混凝土收縮徐變等引起的撓度對因溫度作用產生的撓度識別的影響，試驗中采用在工字梁(平置)模型側面加溫的方式進行對照試驗。工字梁A、B尺寸一致，計算跨徑3 m，頂底板寬40 cm，厚8 cm，腹板厚8 cm，梁高 30 cm［3］。

2 模型材料

2.1 原材料

由于箱梁模型的厚度均較小，因此，混凝土配合比設計考慮了粗骨料最大粒徑及混凝土和易性等因素，具體詳見表1。

表1 混凝土配合比Table 1 The mix proportion of concrete

2.2 混凝土力學指標

分別于張拉預應力前，測定其力學性能，其結果列入表2中。鋼筋的實測強度為:Φ12縱筋抗拉屈服強度為360 MPa，極限抗拉強度為534 MPa;Φ16縱筋抗拉屈服強度為348 MPa，極限抗拉強度為523 MPa;Φ8縱筋抗拉屈服強度為228 MPa，極限抗拉強度為376 MPa。

表2 混凝土力學指標Table 2 The mechanial index of concrete /MPa

3 箱梁與工字梁反復溫度效應試驗

3.1 試驗裝置

箱梁實驗裝置如圖1。

圖1 箱梁試驗裝置照片Fig.1 The test device of box girder

工字梁試驗裝置如圖2。

圖2 工字梁試驗裝置照片Fig.2 The test device of box girder

3.2 試驗方法

試驗分為兩組，一組為混凝土箱梁，另一組為混凝土工字梁A、B。為了減少實驗誤差，2組試驗的模型均放在同一個試驗室里進行，使模型所處的環境，包括空氣濕度、溫度、光照等均相同。為達到排除重力影響的效果，把兩片工字梁翻轉90°放置，側向作用于工字梁。

3.3 箱梁溫度重復荷載試驗

1)試驗前，在箱梁預先設定的控制截面A－A(跨中)、B－B(1/4跨)上布置相應的鋼筋計，表貼式應變計，熱敏電阻等測點。并對模型進行試升溫以確定每次循環升、降溫時間。

2)采用多點光源(碘鎢燈)配合自控開關模擬日照溫度荷載對預應力混凝土箱梁進行升溫。

3)反復溫度荷載對箱梁作用7天，每天重復作用8 次，每次升溫 0.5 h，降溫 2.5 h。

4)施加溫度荷載前需測定并記錄好箱梁截面應變及撓度初值。定期測量模型的應變和線型，需提前24 h關閉電源，使模型自然降溫至室溫而后進行測量。

3.4 工字梁溫度重復荷載試驗

1)試驗前，在工字梁預先設定的控制截面I－I(跨中)、II－II(1/4跨)上布置貼式應變計，熱敏電阻等測點。并對模型進行試升溫以確定每次循環升、降溫時間。

2)工字梁只對A梁采用多點光源(碘鎢燈)照射混凝土的方法模擬施加溫度荷載，B梁不施加任何荷載。

3)反復溫度荷載對工字梁作用3天，每天重復作用8 次，每次升溫0.5 h，降溫2.5 h。

4)定期測量模型的應變和線型，需提前24 h關閉電源，使模型自然降溫至室溫而后進行測量。

3.5 試驗結果整理

預應力混凝土箱梁撓度變化如表3。表中正值表示梁體下撓，負值表示梁體上撓。

表3 箱梁撓度變化情況及撓度曲線Table 3 The deflection changes and deflection curve of box girder

根據表3中箱梁跨中截面及1/4截面撓度隨時間變化的數據，可繪制其撓度隨時間變化曲線，如圖3。

混凝土工字梁A的撓度變化如表4，梁B的撓度變化情況如表5，撓度正值表示梁體順著溫度荷載作用方向撓，負值表示梁體向反方向撓。

根據表中A、B工字梁跨中截面及1/4截面撓度隨時間變化的數據，可繪制其撓度隨時間變化曲線，如圖 4、圖 5。

圖3 箱梁撓度變化曲線Fig.3 The deflction changes of box girder

表4 A梁撓度變化Table 4 The deflection changes of beam A

表5 B梁撓度變化Table 5 The deflction changes of beam B

由實測數據擬合的箱梁頂底板A－A(跨中)截面、工字梁A、B應變差值變化曲線分別如圖6～圖8。

圖6 箱梁A－A截面頂、底板應變變化曲線Fig.6 The diagram of strain change on the top and bottom of the cross-section of box girder A－A

3.6 試驗結果分析

3.6.1 箱梁與工字梁撓度變化比較

從分析可知:

1)隨著作用時間的增加，箱梁和工字梁A的控制截面變形均逐漸增大，跨中截面的變化均為最明顯，箱梁下撓最大值累計達0.6013 mm;工字梁A側移最大值累計達0.716 mm。

2)在溫差作用最初，變形增幅較大。隨后的月份由于室溫隨之升高，梁體受到周圍高溫的影響，撓度增幅減緩。進入秋季以后，隨著室溫的逐漸降低，梁撓度又開始快速增加。此變化規律箱梁與工字梁A大致相同。

3)常溫下的工字梁B，由于沒有受到任何形式的外力以及反復溫差的影響，因此側向撓度變化非常微小，并且沒有規律。

4)由于溫差長期作用，頂板受到溫度的直接作用因而應變變化較快，而不受直接作用的底板應變變化相對較慢，使頂底板之間產生了較大的應變差，即產生了非均勻變形，這種收縮變形的差異將導致主梁曲率長期的增加，從而導致了箱梁下撓［4］。同樣，工字梁A靠近溫差一側的翼板應變較遠離光源一側的翼板增大得快，兩側應變差值的增加，導致了工字梁的側向撓度。放置于室溫下的工字梁B兩側應變差值沒有明顯的變化。

3.6.2 有限元模型仿真分析的計算值與實測值的對比分析

1)由有限元模型分析得出的箱梁撓度分布圖及撓度變化曲線可知，隨著溫差重復作用次數的增加，箱梁截面撓度不斷增大，其中，A－A截面變化最明顯，跨中截面撓度最大達到0.722 mm，與實測數據0.6013 mm相差不大。

2)由有限元模型分析得出的箱梁應變分布圖及應變變化曲線可知，隨溫差反復作用箱梁頂底板應變持續增長，但頂板應變較底板增長得快，由于該應變為壓應變，可知頂板均處于收縮狀態。

3)由有限元模型仿真分析的計算值與實測值的對比分析可以看出:不同溫差重復作用時間下，箱梁截面撓度的計算值與實測值雖有一定差異，但基本趨勢一致。亦證實了頂底板的非均勻收縮是導致箱梁下撓的原因。

4 結語

綜上所述，在人工控溫模擬日照溫差的試驗中，預應力混凝土箱梁與工字梁A在反復溫差荷載的作用下，均發生大變形。結構近光源端產生的應變遠大于遠端，從而便產生了較大的應變差，即非均勻變形，并導致主梁曲率增加與變形。由于進行對比試驗的工字梁B未受到溫差荷載的作用，其變形變化和應變變化微小。總之，在日照溫差的重復作用下，預應力混凝土箱梁會產生下撓，應在橋梁設計中加以考慮。

［1］王國亮，鄭曉華.大跨徑預應力混凝土箱梁橋長期下撓問題的研究現狀［J］.公路交通科技，2007，1(1):47 －50.WANG Guo-liang，ZHENG Xiao-hua.State of art of long-term deflection for long span prestressed concrete box-girder bridge［J］.Journal of Highway and Transportation Research and Development，2007，1(1):47 －50.

［2］盛洪飛.混凝土箱形截面橋梁日照溫度應力簡化計算［J］.哈爾濱建筑工程學院學報，1992，25(1):32－39.SHENG Hong-fei.Simplified calculation of sunsline temperature stess of concrete box-section bridge［J］.Journal of Harbin Institure of Architectural Engineering，1992，25(1):32 －39.

［3］余佳玉.重復溫度荷載對預應力混凝土箱梁的影響研究［D］.重慶:重慶交通大學，2011.

［4］范立礎.預應力混凝土連續梁橋［M］.北京.人民交通出版社，1988.

［5］王效通.預應力混凝土箱梁溫度場計算的有限元法［J］.西南交通大學學報，1985(3):52－62.WANG Xiao-tong.Temperature filed calculation of presturessed concrete box gider by finite ekement method［J］.Journal of Southwest Jiaotong University，1985(3):52－62.