混凝土橋梁設計中的溫度效應研究

王琳琳

(北京中咨華安交通科技發展有限公司，北京 100098)

0 前 言

鋼材與混凝土作為橋梁中的最為主要的兩種建材，其在力學性能方面有著明顯的差異，將兩者進行組合，形成鋼-混凝土組合橋，能夠互補兩種材料各自的優勢，避免其缺點。連續的剛構橋其梁體是連續的狀態，具有行車平順的優勢，同時還具有不設支座、不轉換體系的特點，其內力分布相對而言更加合理，主梁之間的彎矩減小，跨徑增大。橋梁需要承受太陽輻射、氣候變化、天氣影響、晝夜溫差等多個方面因素的影響，而這些因素都會導致橋梁結構產生復雜的溫度分布，同時還會由于溫度的變化而導致結構出現變形和應力。對于組合橋梁溫度分布的差異一方面表現在溫差的不同，另一方面表現在溫度分布形式方面的差異。當外部溫度發生變化時，鋼梁的溫度變化要快于混凝土的變化速度，兩者之間的不同步的溫度變化會導致橋梁不同結構處出現顯著的溫度差，進而產生顯著的約束應力，在嚴重的情況下會導致橋面板的開裂、支座的抬起等病害。

1 混凝土結構的溫度效應理論

1.1 溫度對結構的影響

對于大跨度連續梁來說，常年累月的溫度變化，容易使橋梁出現縱向的位移，這樣的位移能夠通過橋面的伸縮縫以及支座位移等構造進行削弱或者消除。但是對于連續剛構橋，梁的縱向位移會受到主墩的影響，使主墩會產生較大的彎矩。日照輻射以及氣溫的驟變是引起結構產生溫度應力以及變形的主要因素，首先需要確定橋梁各個構件的溫度場、溫度梯度模式以及溫度設計值的大小與實際狀況的接近程度，而這也正是準確計算溫度應力以及變形的關鍵所在。待確定了溫度場，溫度應力則可以按照結構力學或者有限元的方法進行計算。溫度的變化能夠嚴重的影響結構的受力和變形，且隨著溫度分布的不同，影響的程度也會有變化，需要對同一位置不同結構狀態進行測量，保證控制的有效性和準確性，需要嚴格的控制線形和應力。此外橋面一面會受到陽光的照射，而另一面由于靠近水溫度較低，濕氣較大，容易造成橋面的兩側溫差較大，對橋面的變形控制較為不利。

1.2 溫度變化對施工控制的影響

溫度的變化會引起橋梁結構的受力狀態和變形受到不同程度的變化，如果在橋梁的建設過程中不能夠對溫度進行充分的考慮，就會對結構的真實數據產生影響，同時也難以確保控制的有效性以及準確性。多跨的連續橋梁，其特點是施工的周期長，很多項目段的工期都需要幾個季節才能夠完成，不同的季節其溫度也是有著顯著的差異，所以會導致其導致的影響也會增加，因此必須加以重視。其次就是應力的控制，尤其是對于截面尺寸較大的箱梁。

1.3 溫度分布的特點

影響混凝土溫度分布的因素主要包括兩個方面，其一是包括了太陽輻射、雨雪天氣、寒流，降溫等的外部因素；其二則是包括混凝土物理性質、構件形狀等在內的內因。其中配合料對內因的影響較大，起到主要作用的是骨料，一般骨料混凝土和輕質骨料混凝土的熱導系數分別為1.86～3.49 W/(m·℃)、1.16 W/(m·℃)，普通骨料混凝土比熱為800～1 200 J/(kg·℃)，約為輕質骨架混泥土的1.6倍。而混凝土的齡期與水灰比對熱工參數的影響較小。

不管是混凝土構件表面還是內部，其溫度都在隨時發生著變化，溫度荷載主要可以劃分為三類，其具體的形式和特點等如下表1所示。在橋梁結構發生變化時，太陽的輻射強度、氣溫的變化以及風速起到了主要的作用。太陽輻射對驟然降溫的影響很小，風速和氣溫變化的影響則比較大，出現驟然降溫一方面是受到了冷空氣的影響，另外一方面就是晝夜溫差導致的溫度外低內高現象。而年溫變化整個過程較為緩慢，通常會將平均氣溫作為變化的主要依據。

表1 溫度荷載特點匯總表

2 橋梁工程中常用的溫度效應控制措施

溫度效應對混凝土橋梁最大的影響就是橋梁內部的結構由于溫度分布差異而產生裂縫，為了防止或者緩解溫度效應的橋梁的破壞，通常會采取一系列控制措施。主要可以分為預防性控制措施和補救型控制措施。所謂的預防性控制措施就是在溫度效應導致的橋體裂縫之前采取措施進行防治；補救型措施則是由溫度效應引發的橋體出現裂縫之后采取的控制措施。

2.1 溫度效應預防性控制措施

通過設置保溫隔熱材料降低溫度效應對橋梁混凝土構件產生的影響，保溫材料通常可以劃分為保溫隔熱板和保溫隔熱涂料。隔熱板的導熱系數通常低于0.2 W/m·℃，且密度也較小，能夠防止降低橋梁構件的承載力，其中具有代表性的材料有聚苯乙烯和聚氨酯。常用的保溫隔熱涂料比板材施工更加方便，同時還有提高構件耐久性的功能，但是其保溫效果相對泡沫板材較差。保溫隔熱涂料常應用于年平均氣溫變化較小、高溫高濕、降水較豐富或者光照時間長的環境當中。保溫隔熱材料通常可以分為輻射型、阻隔型、反射型。

2.2 溫度效應補救型控制措施

溫度對組合橋梁所產生的最大問題是溫差不均出現的橋面開裂。裂縫主要有三種形式，分別為淺層裂縫、深層裂縫以及貫穿裂縫。要提出相對的控制措施，其首先需要做的是搞清楚裂縫產生的原因以及對橋梁所產生的影響。組合橋梁中由于溫度而引起的裂縫以淺層和深層的居多，貫穿裂縫不常見。當內部條件限制或者是約束了結構的自由變形，就會導致結構之間出現溫度應力，如果在此時的溫度應力又大于混凝土的抗拉強度，就會出現混凝土開裂的現象。所以在橋梁設計的過程中就需要優選受力性能好的材料，此外還應該具備良好的抗裂性能，提升其抗拉強度。由溫度效應所產生的裂縫也并非是一瞬所完成的，其發展需要一個過程。如果結構的溫度變化能夠以較慢的速度進行，在這個變化的過程中，溫度應力越小，結構的變形也就會越小。

(1)橋梁設計方面

重視由于溫度應力所導致的非結構性裂縫，通過設置橫向預應力鋼筋提高結構抗裂能力。同時需要注重構造鋼筋的配置，溫度荷載作用會導致材料的不協調變形，所以需要注意鋼-混凝土結合的地方，在薄弱地區設置抗裂鋼筋來防治混泥土開裂。應當根據橋梁所在的實際環境溫度來選擇合理的橋梁結構溫度梯度模式。此外可以適當的增加橋面板鋪裝層的厚度，將鋪裝層的顏色設置較淺，通過涂刷淺色反光、散熱性好的涂料來減小不同結構之間的不協調變形。

(2)橋梁施工方面

首先需要控制混凝土和鋼材的質量，在保證混凝土強度的情況下，降低水泥的消耗量，減少單位體積的水化熱，防止產生過大的溫差效應，另一方面也需要降低水灰比來減少混凝土的收縮裂縫。確定最佳的混凝土澆筑溫度和鋼架的安裝溫度，對拆模的時間合理的把控，避免過早拆除而造成的內外溫差較大，同時在拆模之后在混凝土梁的表面覆蓋一層保溫保濕的材料，能夠有效的減小混凝土的表面出現過大的拉應力。最后就是對混凝土采取保溫保濕措施，嚴格的按照結構溫度應力進行控制，分時段分批次的進行保溫層的拆除。

3 結 語

綜上，文章從研究混凝土橋梁設計中溫度效應的必要性入手，從溫度對結構的影響、溫度變化對施工控制的影響、溫度分布的特點等幾個方面闡述了混凝土結構的溫度效應理論。同時從溫度效應預防性控制措施、溫度效應補救型控制措施兩個方面提出了橋梁工程中常用的溫度效應控制措施。