高寒地區(qū)連續(xù)梁橋系桿與拱肋溫度場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究

于 嵐

(哈爾濱交研交通工程有限責(zé)任公司,黑龍江 哈爾濱 150080)

1 試驗(yàn)橋簡(jiǎn)介

本文所依托的工程橋梁位于齊齊哈爾市市區(qū)，所處地理位置位于北緯47°21′，東經(jīng)123°33′，所在區(qū)域?qū)倨皆瓍^(qū)地形。橋梁結(jié)構(gòu)形式為：下承式三跨預(yù)應(yīng)力混凝土系桿拱連續(xù)梁組合橋。該橋全長(zhǎng)為147.76 m，跨徑布置為40 m+60 m+40 m，橋面全寬為34.2 m。該橋?yàn)閯傂韵禇U剛性拱，拱軸線采用二次拋物線。橋梁為東西走向，其軸線與地理正東方向間的夾角為27°。

各孔拱肋均為工字形等截面的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，中孔拱肋高為1.6 m，邊孔拱肋高為1.2 m。在直線段系桿采用箱型截面，高1.8 m，寬1.4 m；端部及墩頂處加高至2.2 m，加寬至1.7 m。系桿頂部橋面鋪裝采用8 cm瀝青混凝土+防水層+5 cm水泥混凝土墊層。

2 試驗(yàn)研究方案

2.1 溫度測(cè)試斷面選擇

針對(duì)系桿拱連續(xù)梁組合橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選取具有代表性的溫度控制斷面及測(cè)點(diǎn)，在具有代表性的時(shí)段內(nèi)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)溫度數(shù)據(jù)的測(cè)試。溫度測(cè)試縱斷面的選擇如下：

(1)系桿縱橋向選取中孔距跨中斷面向3#臺(tái)側(cè)偏2 m的位置；

(2)拱肋及橋面溫度測(cè)試斷面均選取在中孔跨中斷面。

2.2 溫度測(cè)點(diǎn)布置

系桿及拱肋溫度測(cè)點(diǎn)布置中，對(duì)所選取的系桿、拱肋溫度測(cè)試斷面，沿結(jié)構(gòu)高度方向均布置6個(gè)混凝土溫度測(cè)點(diǎn)。其中，系桿溫度測(cè)點(diǎn)編號(hào)由梁底緣向頂緣依次為測(cè)點(diǎn)1～測(cè)點(diǎn)6；拱肋溫度測(cè)點(diǎn)編號(hào)由肋頂緣向底緣依次為測(cè)點(diǎn)1～測(cè)點(diǎn)6。

2.3 溫度測(cè)試與采集系統(tǒng)

(1)溫度測(cè)試傳感器

①系桿及拱肋混凝土內(nèi)部豎向溫度測(cè)試傳感器，采用長(zhǎng)沙金碼高科技實(shí)業(yè)有限公司制造的JMT-215AT型，帶溫度自補(bǔ)償?shù)幕炷翍?yīng)變計(jì)，便于溫度修正及測(cè)試。

②橋面鋪裝及吊桿內(nèi)部測(cè)溫傳感器，采用長(zhǎng)沙金碼高科技實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的JMT-36B帶記憶型溫度傳感器。

(2)溫度采集儀

結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度的采集均采用由長(zhǎng)沙金碼生產(chǎn)，與傳感器相配套的JMZX-3001綜合測(cè)試儀，溫度測(cè)試精度為0.1 ℃。大氣溫度的測(cè)試采用采用臺(tái)灣泰仕生產(chǎn)的TES1360數(shù)顯溫濕度計(jì)。

2.4 溫度測(cè)試時(shí)間與頻率

(2)溫度測(cè)試時(shí)間段的選擇

齊齊哈爾地區(qū)有記錄歷年各月平均溫度變化曲線可知，每年7月溫度最高，1月溫度最低。

為使結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度的影響變化相對(duì)明顯，根據(jù)橋位歷史溫度特點(diǎn)來看，一般情況下太陽輻射及環(huán)境溫度最為明顯的季節(jié)為冬夏兩季。故此次溫度測(cè)試試驗(yàn)選取2015年7月15～17日及溫度2016年1月16～18日作為溫度測(cè)試時(shí)間。由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)大氣溫度，并結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀蟛块T資料可知，所選取的測(cè)試時(shí)段內(nèi)日溫度最高值為31.5 ℃，最低值為-28.3 ℃，較接近有記錄以來歷史的日最高及最低值，日溫度變化量在11.9 ℃～15.0 ℃。

(2)測(cè)試頻率

在每次測(cè)試時(shí)段內(nèi)均進(jìn)行為期40～48 h的連續(xù)測(cè)試，每隔兩個(gè)小時(shí)采集一次環(huán)境溫度及相應(yīng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部測(cè)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)。

3 實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)分析

實(shí)測(cè)系桿、拱肋豎向各測(cè)點(diǎn)的溫度參數(shù)見表1～表4。所建立的系桿、拱肋豎向各測(cè)點(diǎn)日溫度變化曲線。

表1 1月16～18日系桿豎向溫度測(cè)試參數(shù)

表2 7月15～16日系桿豎向溫度測(cè)試參數(shù)

表3 1月16～17日拱肋拱頂豎向溫度測(cè)試參數(shù)

表4 7月15～16日拱肋拱頂豎向溫度測(cè)試參數(shù)

由表1～表4可知，由于拱肋與系桿空間位置的差異，環(huán)境因素對(duì)其影響的不同，導(dǎo)致拱肋內(nèi)部溫度的各項(xiàng)參數(shù)值普遍高于系桿。在兩次測(cè)試時(shí)段內(nèi)，兩者平均值最大相差3.8 ℃，溫度最大值相差6.6 ℃。距系桿及拱肋上表面最近測(cè)點(diǎn)6和測(cè)點(diǎn)1的日溫度最大變化量分別為16.7 ℃和19.2 ℃，而結(jié)構(gòu)中部(距系桿頂緣0.8～1.2 m，距拱肋頂緣0.85～1.25 m范圍)，日溫度最大變化量分別為6.5 ℃和11 ℃。說明沿系桿及拱肋高度方向，由上、下緣表面向結(jié)構(gòu)中部溫度的變化量逐漸減小。

可以看出，系桿及拱肋溫度變化規(guī)律與大氣溫度變化規(guī)律基本一致，各測(cè)點(diǎn)日溫度隨時(shí)間呈日周期性的波浪狀曲線變化。在時(shí)間上相對(duì)于環(huán)境溫度，結(jié)構(gòu)溫度變化存在一定的滯后性，這與混凝土材料的熱惰性有關(guān)。

系桿及拱肋測(cè)點(diǎn)溫度在0∶00～4∶00點(diǎn)變化相對(duì)穩(wěn)定，最大變化量為2.3 ℃。在6∶00～14∶00點(diǎn)結(jié)構(gòu)溫度逐漸升高，表現(xiàn)出由結(jié)構(gòu)上、下表面向中部其升溫速率及升溫量均減小的趨勢(shì)，在距上緣最近測(cè)點(diǎn)6和測(cè)點(diǎn)1最大升溫量分別為13.6 ℃和15.5 ℃。在14∶00～16∶00點(diǎn)溫度達(dá)到最高，7月16日系桿及拱肋測(cè)點(diǎn)最高溫度分別為39.8 ℃和42.2 ℃。在16∶00～18∶00點(diǎn)中部測(cè)點(diǎn)4溫度達(dá)到最高，分別為29.2 ℃和33.2 ℃，此時(shí)系桿及拱肋上、下表面溫度開始降低，說明溫度在混凝土材料間傳遞具有一定滯后性，時(shí)間約2 h。

2015年7月16日不同時(shí)刻系桿及拱肋豎向溫差的變化曲線。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)及規(guī)范可知，通常把沿結(jié)構(gòu)高度方向溫度變化量最小點(diǎn)的溫度作為基準(zhǔn)溫度，其他各測(cè)點(diǎn)的溫度減去該基準(zhǔn)溫度即得結(jié)構(gòu)豎向溫度梯度。

沿系桿及拱肋高度方向溫度差存在明顯的分布規(guī)律：上緣溫差最大，中部附近最低，下緣小于上緣，且沿梁高程曲線分布。在16∶00時(shí)系桿、拱肋豎向正溫差最大，分別為11.6 ℃和9.5 ℃，此時(shí)系桿及拱肋底部溫差分別為2.4 ℃和4 ℃。在6∶00(即日出)時(shí)產(chǎn)生豎向最大負(fù)溫差，系桿、拱肋底緣的最大負(fù)溫差分別為-1.4 ℃和-2.2 ℃，約為最大正溫差的0.58倍、0.55倍，略大于國(guó)內(nèi)公路規(guī)程(JTG D60-2015)中采用負(fù)溫差為正溫差的0.5倍。

結(jié) 論

沿系桿及拱肋高度方向上緣溫差最大，中部附近最低，下緣小于上緣，沿梁高呈曲線分布。在16∶00時(shí)系桿、拱肋豎向正溫差最大，分別為11.6 ℃和9.5 ℃，此時(shí)系桿及拱肋底部溫差分別為2.4 ℃和4 ℃；在6∶00時(shí)產(chǎn)生豎向最大負(fù)溫差，系桿、拱肋底緣的最大負(fù)溫差分別為-1.6 ℃和-2.2 ℃，約為最大正溫差的0.58倍、0.55倍，略大于規(guī)程上負(fù)溫差為正溫差的0.5倍。