環境溫度對混凝土箱梁內部溫度影響研究

摘要：通過在混凝土箱梁內部布設溫度傳感器，建立了現場溫度測試系統，實測了混凝土箱梁內部溫度及環境溫度場。通過對實測數據進行分析，得出了混凝土箱梁內部溫度隨環境溫度變化的規律。研究發現，混凝土箱梁頂板最高峰值滯后于環境溫度最高峰值2 h，且隨著距梁頂板距離增加，滯后時間略有延長。頂板內外緣溫差明顯，腹板、底板內外溫差很小。

關鍵詞：混凝土箱梁 環境溫度 混凝土溫度

中圖分類號：U448 文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2013）01（b）-000-02

溫度場的確定是解決橋梁溫度效應的關鍵。國內外學者己進行相關的試驗觀測和理論研究。德國的EKehlbec[1]分析了輻射氣溫、外界氣溫、結構表面溫度的影響和各種計算常數的確定，求得了以矩陣形式表示的溫度函數。英國的D．A．Stephenson[2]以表面溫度波幅為依據，用指數函數來分析混凝土結構沿壁板厚度方向的溫度分布。劉興法[3]論述了預應力混凝土箱梁的溫度分布與溫度應力問題，建立了預應力混凝土箱梁的控制溫度荷載與相應的溫度應力計算方法。葛耀君等[4]分析了環境溫度場與結構溫度場的關系，建立了混凝土斜拉橋結構溫度場計算的二維差分方法，提出了實用計算方法。程海根等[5]考慮溫度場隨豎向和橫向位置的變化，發現溫度梯度將引起橫向豎向極大的二次應力。目前我國鐵路規范[6]中箱梁溫差的計算方法是根據以往箱梁的相關數據并結合國內外相關資料制定的，沿梁體寬度和高度兩個方向溫度分布為指數曲線。箱梁的環境溫度分布與所處地理位置、氣溫、大氣透明度、日照強度以及橋梁截面尺寸等有關[7]。采取懸臂澆筑施工方案的連續梁橋，施工期間溫度場處在不斷的變化之中。研究混凝土箱梁溫度隨環境溫度的變化規律，分析橋位處梁體溫度場與外界溫度變化的相關性，獲得溫度梯度實測數據，可進一步分析主梁的溫度效應[8]。該文通過埋設溫度傳感器，建立施工現場溫度測試系統，根據所測梁體溫度并結合規范相關規定分析混凝土箱梁體溫度場與外界溫度變化的相關性，對分析溫度作用對橋梁受力狀態影響有參考作用。

1 混凝土連續箱梁的溫度場現場實測

1.1 依托工程簡介

阜六鐵路潁河特大橋位于安徽阜陽袁寨鎮東南7 km處，屬于阜六鐵路控制性工程之一，橋梁法線與河流中心線夾角15 °，主跨采用（70+120+70）m（圖1）變截面連續梁跨越潁河主航道，主跨連續箱梁全長261.7 m，設計橋面總寬度為13.5 m，箱梁采用三向預應力體系，梁體采用C55耐久性混凝土。全橋共分為67個梁段，懸臂澆筑法施工。連續箱梁采用單箱單室直腹板、變高度、變截面結構形式。箱梁梁高沿縱向按二次拋物線變化，中支點處梁高9.5 m，邊支點及跨中梁高5.5 m；除梁端附近外，箱梁頂板厚度均為45 cm；腹板厚度自跨中向中支點方向、由60-80-100 cm，按折線變化；底板由跨中的40 cm按直線變化至中支點根部120 cm。本次溫度傳感器布設截面如圖2所示。

1.2 現場溫度測試方案

現場溫度場測試傳感器埋設位置見表1及圖3。下文“內、外緣溫度及溫差”指上述傳感器位置混凝土的溫度或相應溫差。該橋位于安徽省阜陽市境內，季節變化明顯。依該文研究目的，該文選取天氣晴朗、太陽輻射強烈和陰雨天兩種典型天氣，采集數據分析混凝土箱梁溫度場隨環境溫度的變化規律。溫度數據采用24 h不間斷監測的方法，半小時記錄一次數據，環境溫度和箱梁內部溫度均由溫度元件測試出。

2 現場實測溫度數據及分析

現場實測獲得了大量數據，限于篇幅并根據該文研究的需要，分別選擇了晴天和陰雨天24 h溫度數據進行了分析，分別整理了箱梁頂板、腹板、底板的溫度分布變化圖。

2.1 晴天條件下溫度分析

晴天條件下箱梁混凝土內部溫度隨環境溫度變化的情況如圖4～圖7。如圖4所示，晴天（2012年7月6、7日）時，箱外、箱內環境溫度均在下午14時左右達到最高峰值，混凝土箱梁頂板外緣（1號點）溫度達到最大值時16時左右，滯后環境溫度峰值2～3 h，且頂板中間點及外緣（2、3號點）滯后時間長于頂板外緣（1號點）。從圖4溫度曲線的變化趨勢看出，頂板沿厚度方向存在明顯的溫度梯度，且在頂板外緣溫度最高時，豎向溫度梯度最大。由圖5可知，對于腹板位置，隨著溫度的升高，混凝土箱梁到達最大值時間在下午19時左右，比環境溫度達到最高峰值時間滯后5 h左右；升溫、降溫過程中，腹板外緣（6號點）溫度變化幅度大于腹板內緣（5號點），說明梁體腹板沿橫向存在溫度梯度。腹板與頂板交界處梗肋處測點溫度變化較為平穩，如圖6（2012年5月18日）所示。箱梁底板的內緣、外緣混凝土溫度變化始終較小，在1 ℃以內，如圖7（2012年7月13、14日）所示。

在晴天條件下，氣溫升溫過程中環境溫度峰值高于梁體溫度；降溫過程中，梁體溫度均高于環境溫度場，體現了混凝土箱梁吸收熱量，但釋放比較緩慢，混凝土溫度惰性比較明顯。簡言之，夜間混凝土箱梁溫度高于環境溫度，混凝土箱梁溫度變化滯后于環境溫度變化。

2.2 陰雨天條件下溫度分析

陰雨天（2012年7月13日）測點溫度變化如圖8～圖10所示。

由圖8～圖10可知，陰雨天箱內溫度始終高于箱外溫度。箱外、箱內環境溫度均在12時左右達到最高峰值，混凝土箱梁頂板溫度達到最大值時16時左右，滯后環境溫度峰值2～3 h，且頂板2號點與3號點滯后時間長于1號點；頂板混凝土溫度始終高于環境溫度，隨著環境溫度的上升和下降，頂板溫度變化趨勢與之一致且較為明顯；在升溫和降溫過程中，腹板和底板變化趨勢較為平緩。

2.3 環境及混凝土內部溫差分析

環境溫差與箱梁內部溫差分析如圖11～圖13所示。

混凝土內部溫度實測表明頂板沿豎向存在溫度梯度，混凝土箱梁頂板內外測點一天內不同時刻的溫差情況如圖11所示，1號、2號測點溫差最大值和1號、3號測點溫差最大值基本相同；2號、3號測點的溫差很小，體現了混凝土箱梁溫度沿厚度分布的非線性特征。由圖12可知，梁體腹板沿橫向存在溫度梯度，但并不明顯。由圖13可知，晴天條件下混凝土箱梁內外環境溫差最高峰值出現12時左右；頂板內、外緣溫差最高峰值出現在14時左右；腹板內、外緣溫差最高峰值出現在15時左右，稍滯后于頂板；底板的內外緣溫差最大值出現在18時左右。

3 結語

通過對環境溫度及混凝土箱梁內部溫度的實測與分析，得出以下結論：1）混凝土箱梁各處溫度變化均滯后于環境溫度場。晴天時頂板最高溫度約滯后環境最高溫度約2 h，腹板溫度峰值滯后于頂板頂部溫度峰值滯后時間。底板混凝土溫度隨環境溫度的變化不大。2）箱梁各板件沿厚度方向存在溫度梯度。晴天條件下，頂板、腹板、底板內、外側測點的溫差不同，頂板內外溫差最高，底板內外溫差最低。3）該文混凝土溫度測點均在混凝土表面以內10 cm處，混凝土內外表面的溫差以及與環境溫度的關系還有待進一步研究。

參考文獻

[1]F.凱爾別克.太陽輻射對橋梁結構的影響[M].劉興法，譯.北京：中國鐵道出版社，1981.

[2]劉興法.混凝土結構的溫度應力分析[M].北京：人民交通出版社，1991.

[3]劉興法.預應力混凝土箱梁溫度應力計算方法[J].土木工程學報，1986，19（1）：44-54.

[4]葛耀君，翟東.混凝土斜拉橋溫度場的試驗研究[J].中國公路學報，1996，9（2）：76-83.

[5]程海根，王美英.大氣環境下混凝土箱梁橫截面溫度場試驗研究[J].橋隧工程，2012（4）：142-146.

[6]中華人民共和國鐵道部.鐵路橋涵設計基本規范（TB1002.1-2005）[M].北京：中國鐵道出版社，2005.

[7]劉齡嘉.橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，2007.

[8]張洪雨.溫度作用對懸臂澆筑連續梁施工期間受力性能及線性控制的影響研究[D].北京交通大學，2011.