氣溫變化對混凝土橋梁結構的影響分析

劉 子 英

(東北林業大學，黑龍江 哈爾濱 150040)

氣溫變化對混凝土橋梁結構的影響分析

劉 子 英

(東北林業大學，黑龍江 哈爾濱 150040)

對混凝土橋梁結構受氣溫變化影響的類型進行了分析，從氣溫年變化、日變化和寒潮降溫三方面進行了論述，提出了控制氣溫變化對混凝土橋梁結構影響的建議，為類似的研究提供了參考依據。

氣溫變化，混凝土橋梁結構，裂縫，耐久性

隨著橋梁結構逐步向大跨、高聳方向發展，無論是大體積混凝土預制構件還是整體現澆混凝土構件，在橋梁上的應用均已非常普遍。混凝土橋梁在自然環境中經受各種氣象條件的影響，尤其是混凝土構件的表面或內部溫度隨時變化，而對于大體積混凝土，溫度變化不但可能引起裂縫，而且對結構的應力狀態也有重要影響，有時溫度應力在數值上可能超過其他外荷載引起的應力。氣溫的變化是引起混凝土裂縫的重要原因之一，是計算溫度應力及制定溫度控制措施的依據[1,2]。因此研究氣溫變化對混凝土橋梁結構的影響至關重要。

1 對混凝土橋梁產生影響的氣溫變化類型

對于混凝土橋梁結構來說，氣溫變化引起的溫度應力主要可分為三種類型：氣溫年變化、氣溫日變化和寒潮降溫引起的結構溫度變化。其特點如下。

1.1 氣溫年變化

氣溫年變化引起橋梁結構的溫度變化是長期而緩慢的，它使橋梁結構整體發生均勻的溫度變化，所以在考慮氣溫年變化對結構物的影響時均以平均溫度為依據，一般以最高與最低月平均溫度的變化值作為年溫變化幅度。溫度數據可在中國氣象科學數據共享服務網上查詢獲得。

由氣溫年變產生的溫度應力在全橋均有分布，作用時間長，分布較為均勻，使橋梁結構產生較大的整體位移[1]。尤其是在寒冷的北方，由于冬季氣溫很低，氣溫年變化是引起混凝土構件表面裂縫甚至深層裂縫的重要原因[2]。

1.2 氣溫日變化

從工程應用的角度考慮，當橋梁的位置確定后，影響結構日照溫度變化的主要因素是太陽輻射程度、氣溫變化和風速，為了尋求設計溫度荷載，風速這個因素也可以忽略，因為當混凝土結構表面溫度達到最大時，風速幾乎接近于零。這樣從設計控制溫度荷載考慮，影響橋梁結構表面溫度的因素實際上可簡化為只有太陽輻射和氣溫變化兩個因素。

氣溫日變化主要是由太陽輻射引起的，隨著太陽輻射強度、入射方位角等因素的變化，混凝土溫度梯度和溫度應力也呈現出瞬變特征，且在橋梁結構上分布很不均勻，主要表現在：受陽光直射的范圍內溫度變化相對明顯，由于混凝土是熱的不良導體，導致在背光一側溫度變化較慢，從而使得局部應力較大。因此可以用實測資料的數理統計分析方法，求得的表面溫度計算式和沿壁板厚度的溫差曲線的計算式來確定橋梁的溫度荷載。

1.3 寒潮降溫

不論在北方還是南方，寒潮都是引起混凝土表面裂縫的重要原因[2]。在一定強度的冷空氣流的冷卻作用下，橋梁整體呈現短時的溫度變化，混凝土橋梁整體呈現表面溫度迅速降低而在結構中形成內高外低的溫度分布，使混凝土結構的外表面產生較大拉應力。相比之下，混凝土橋梁結構的表面和內部溫度變化比日照時的結構溫度變化要簡單一些。寒潮降溫的時間過程約為20 h，這種降溫溫度荷載較之氣溫日變化產生的溫度荷載變化緩慢，但作用時間長。同時，寒潮降溫作用引起的橋梁結構降溫速度(南方地區平均降溫速度為1 ℃/h，最大降溫速度為4 ℃/h)，比日照升溫速度(10 ℃/h)要小。寒潮降溫溫度變化，一般只需考慮氣溫變化和風速這兩個因素，可以忽略日輻射影響。

2 需要開展研究的科學問題

2.1 結構

溫度變化的熱脹冷縮會導致溫度應力的產生，由于各材料界面的溫差變形系數不同，使得鋼筋與混凝土界面、砂石與水泥漿界面等產生不同的溫差變形，導致混凝土產生裂縫。溫度裂縫的產生不但影響到結構的承載力和設計效果，而且對結構的安全性和耐久性也有重大影響。因此需要研究橋梁結構主要構件的溫度梯度和溫度效應，且由于我國幅員遼闊，氣候差異大，應按照建筑氣候區劃來分別總結其規律。橋梁結構的動力性能亦受氣溫變化的影響，如剛度變化、極限荷載、有溫度裂縫產生的結構阻尼變化、沖擊作用變化等。

溫度年變化、寒潮的影響也會帶來橋梁結構的損傷累積，進而影響結構的長期性能，包括混凝土徐變增大、耐久性退化等對混凝土橋梁結構的承載力和變形的影響，因此應綜合考慮荷載變化以及材料短期或長期的性能變化。

2.2 材料

溫度變化對材料的力學性能有影響，通常溫度升高導致材料強度、彈性模量降低，變形加大。當大氣溫度達到32 ℃時，混凝土表面溫度可達63 ℃；當溫度達到40 ℃～47 ℃時，混凝土表面溫度則高達80 ℃～90 ℃[5]。這種極端氣溫雖不會經常出現，但在環境持續高溫或低溫,或高低溫快速交替作用下，混凝土力學性能將有較大不同[4]。這種材料性能的變化對結構安全性和耐久性都會產生影響，因此，需要研究橋梁使用環境的溫度變化范圍及短期內溫度變化幅度，研究材料強度和彈性模量的變化，以及驟然降溫對混凝土材料的力學性能和耐久性問題的影響。

3 控制氣溫變化對混凝土橋梁結構影響的建議

建議確立橋梁結構在全壽命周期內抵抗氣溫變化的設計理念。針對氣溫變化對混凝土橋梁結構的構造要求進行研究，考慮混凝土鋪裝層厚度、鋪裝方式、鋪裝材料等的具體要求；創新建筑材料種類，如考慮將混凝土表面吸收的內能轉變為電能為橋梁提供夜間照明，或通過混摻入外加劑或在混凝土表面涂層的方法減小混凝土的吸熱系數等。在建筑氣候分區的思想基礎上，完善各類規范中關于混凝土溫度梯度和溫度荷載的計算方法，為橋梁設計提供科學依據。在既有橋梁加固設計和安全性評價方面，建議考慮氣溫變化作用下既有橋梁的剩余承載力，合理評估橋梁的使用狀態和剩余壽命，進一步完善橋梁檢測和監測制度。同時，由于橋梁結構形式不一，不斷產生的異形結構增加了混凝土溫度梯度和溫度效應的計算難度，目前對于異形結構的溫度設計尚欠缺經驗。

4 結語

氣溫變化對混凝土橋梁結構影響很大。常見的氣溫變化類型包括氣溫年變化、日變化和寒潮降溫等，氣溫年變化對混凝土橋梁結構的影響長期緩慢，在北方是導致混凝土表面裂縫和深層裂縫的重要原因。氣溫日變化具有瞬態特點，是混凝土構件溫度場的主要影響因素，應在建筑氣候分區的思想指導下，不斷改進各項規范對溫度梯度和溫度荷載的計算法。寒潮降溫多引起混凝土構件的表面裂縫。針對氣溫變化，建議采取增加鋪裝層厚度、提高建筑材料性能、優化溫度荷載計算方法等方法來逐步解決溫度變化給混凝土橋梁結構帶來的影響。

[1] 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.

[2] 朱伯芳.大體積混凝土溫度應力與溫度控制[M].北京:中國電力出版社,1999.

[3] 聶玉東.寒區大跨徑混凝土箱梁橋溫度場及溫度效應分析[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學,2013.

[4] 王元豐,韓 冰.極端氣候事件對橋梁安全性的影響分析[J].土木工程學報,2009(3):76-79.

[5] 張國學,劉曉航.溫度對混凝土材料性能的影響[J].華東公路,2000(1):57-58.

Effect of temperature change on concrete bridge structure

LIU Zi-ying

(Northeast Forestry University, Harbin 150040, China)

The types of temperature change on concrete bridge structure are analyzed. The effect of annual and daily change in temperature, cold wave is discussed. The suggestions on how to control the temperature change on concrete bridge structure are made， provide references for other similar research.

temperature change, concrete bridge structure, crack, durability

1009-6825(2014)31-0187-02

2014-08-24

劉子英(1980- )，女，講師，在讀博士

U441

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