典型箱梁溫度場分布規律的現場測試及分析

盛術學

(1.中鐵十三局集團公司第四工程有限公司;2.東北林業大學)

1 引 言

從 20世紀 60年代以來,預應力混凝土箱梁發展極快,是預應力混凝土橋梁的主要截面形式,但在國內外的橋梁中,常出現有一些嚴重裂縫。產生裂縫的原因是多方面的,但溫度應力對橋梁的危害受到國內外研究工作者的重視。自 20世紀 60年代以來,國外由于溫度效應而導致混凝土結構嚴重裂損事故并不少見;在國內,也有多座箱形梁橋發生了裂縫。這些裂縫的出現與設計時沒有充分考慮溫差應力有密切關系。試驗研究表明,箱梁某些部位的溫差應力比荷載應力還大,這成為預應力混凝土箱梁發生裂縫的主要原因。盡管國內外自 20世紀 60年代已經開始溫度效應研究,但關于箱梁溫度場的計算模式和相應研究工作,一直以來就是研究的熱點。因此,對混凝土箱梁溫度效應做深入、細致的研究是有必要的。

武漢市地處我國東部沿海向內地過渡地帶,地處中緯度。屬亞熱帶濕潤性季風氣候,具有冬寒夏暖、夏季多高溫、冬季少雪、冬夏交替明顯,春濕秋旱、夏季多雨、冬夏長,春秋短四季分明的特征。在武漢地區的預應力混凝土箱梁建設中,結合工程建設,通過現場測試,研究該地區箱梁溫度場的變化規律對工程建設具有重要的意義。

2 溫度荷載測試

2.1 混凝土箱形結構溫度分布

橋梁結構因自然條件變化而引起的溫度差效應主要可歸納為日照、降溫、年溫度變化等三個原因。年溫差是指常年緩慢變化的年氣溫,它對結構的影響主要導致橋梁的縱向位移,一般通過橋面伸縮縫、支座位移或柔性橋墩等構造措施相協調,只有在結果的位移受到限制時才會引起溫度次內力,例如在拱橋、剛架結構及某些斜拉橋結構中。日照輻射及寒冷驟然降溫屬于局部溫度影響,導致結構溫度次內力或溫度次應力是產生結構裂縫的主要因素。以往在設計中未能考慮完善,現在,各國規范,包括我國規范都規定了溫度應力計算的相應條文。

梁段因外界自然條件變化引起的內部和表面溫度變化稱之為該梁段的溫度荷載。而混凝土結構物內部的溫度場是確定溫度荷載的關鍵。采用不同的溫度場模式進行計算得到的箱內溫度應力值相差很大,甚至可能是異號,因此應當根據結構物所處的當地條件,選擇合理的溫度場模式以確保結果的抗裂性;要想精確求解溫度應力就必須先精確地表述溫度分布,然后借助于力學理論求解溫度荷載對混凝土結構的效應。為求得理想的溫度場,太陽輻射下混凝土箱梁溫度分布的現場觀測與數據分析是首要的,也是關鍵的一步。

2.2 箱形梁溫度傳感器埋設

武漢市軌道交通一號線二期工程區間及車站土建第八標是武漢市軌道交通一號線二期工程區間及車站,線路從二七路(不含二七路站)高架至丹水池(含丹水池站),里程范圍為 EK2+018～EK4+338,線路長度 2.32km,高架車站兩座,分別為徐州新村站(EK2+773)及丹水池站(EK4+303)。梁跨度類型有 25m、30m、40m。25m跨簡支梁有單線、雙線箱梁;30m跨度簡支梁有雙線箱梁。25m、30m梁高為 1.8m,梁的高跨比為1/16.67。40m為雙線單箱梁,梁高 2.4m。連續箱梁的孔跨組合 35+50+35m、3×25m、40+60+40m共 3聯。

以在建武漢市輕軌交通一號線二期工程典型預應力箱梁,在箱梁典型部位的截面內埋設溫度傳感器。

3 預應力箱形梁溫度場測試結果及分析

箱梁溫度場觀測選在有代表性的天氣進行,選一個陰天和一個晴天進行觀測。一天中的觀測時間安排如下:從早晨6∶00開始,1h1次,直到晚上 8∶00為止。經過理論分析計算和實際觀測,在下午 15∶00左右,箱梁溫度達到最大值。15∶00測得的箱梁特征點溫度列于表 1。

表 1 預應力箱梁關鍵點溫度觀測值

由觀測數據的分析可見:沿橋梁縱向,除了箱梁頂板的溫度變化相對較大外,腹板和底板的溫度變化很小,故沿縱向可以視為一致,從而箱梁的三維溫度場簡化為二維溫度場,即沿箱梁橫向和豎向。

由于影響頂板溫度的主要因素就是太陽輻射,左、右幅受太陽輻射的強度基本一致,所以左、右相同位置處的溫度大體相同。圖 1給出了箱梁頂板典型觀測數據,由圖可見:箱梁頂板表面是受太陽輻射時間最長的部位,也是輻射最劇烈的部位。因此頂板的溫度變化最劇烈,在近表面在下午 15∶00點達到最高,而由于混凝土的熱傳導滯后性,頂板中間溫度上升速度比上表面緩慢的多且最高溫度較表面也低。兩者間最大溫差發生在14∶00達到 11.9℃。對于同一幅橋,頂板橫向溫差最大達 3.2℃。這主要是由于箱梁兩側的懸臂部位和箱室頂板處所處的熱交換條件的邊界情況差異很大。懸臂部位的翼緣板完全處于大氣中,下側除了受地面反射還與周圍的空氣發生對流換熱和熱輻射換熱,而箱室頂板下側則只與箱內空氣發生對流換熱和熱輻射換熱,而箱內溫度變化較小且風速幾乎為零,故閉合箱室上的頂板溫度和翼緣板處頂板的溫度有差異。腹板外表面受到太陽直射、散射、反射的多重影響,但其強度與頂板比相對較低,左、右幅橋平行設置,可以相互遮擋,加之箱梁具有較長的翼緣板。同一觀測時間左、右幅腹板的溫度基本相同,但由于路線中心線兩側的腹板受到翼緣板的相互遮擋,其溫度較另一側略低。

圖1 預應力箱梁頂板溫度變化曲線

圖 2給出了箱梁底板典型觀測數據圖,由圖可見:底板的溫度變化相對于箱梁頂板表面總體上要平緩的多,升溫幅度也不大,僅為 3.1℃。由于底板的溫度主要受到地面反射作用,加之沙銀溝大橋地表裸露,無植被覆蓋,才會出現在13∶00以后底板的溫升加劇,直到 19∶00才趨于平緩。底板終日不受日照,所以太陽輻射對它影響不大,底板外表面主要受到地面反射作用。同一觀測時間左、右幅底板的溫度基本相同,橫向溫差很小,最大溫差為 1.3℃。底板靠近腹板外表面處受到腹板表面溫度的影響,溫度比中間部分略高。

圖 2 預應力箱梁底板溫度變化曲線

圖 3給出了箱梁測點 1～測點 4典型觀測數據圖,由圖3可見:測點 1～測點 4由箱梁腹板內表面向外表面布置在內側腹板中,腹板外表面受到太陽直射、散射、反射的多重影響,溫度是由測點 1向測點 4傳遞?？梢钥吹教幵诟拱逋獗砻娴臏y點 1溫度最高。但從總體來看,在半梁高處中央位置腹板上的測點在整個觀測過程內溫度值都很穩定,變化幅度在 2℃以內。

圖 3 預應力箱梁內側腹板溫度變化曲線

圖4 預應力箱梁溫度場的分布

圖 4給出了從早晨 9∶00開始,1h1次,直到晚上 19∶00對箱梁的溫度場進行了觀測數據。由圖 4可見:箱梁截面在日照影響下存在非線形的豎向溫度梯度,頂板在太陽直射的影響下溫度急劇上升,隨后底板及腹板均有不同程度的上升。隨太陽輻射強度逐漸增強,箱梁豎向溫度梯度在下午15∶00左右達到最大,這與已有的研究成果相符,此時頂板升溫值將近 16.8℃,且頂板溫度梯度形式與現行的中國公路橋涵設計通用規范(JTGD60-2004)中規定的溫度梯度基本類似。

4 結 論

以在建武漢輕軌一號線典型箱梁為工程背景,通過現場實測,分析了武漢地區典型預應力箱梁溫度場的變化,通過實測數據可以得出如下結論。

(1)武漢地區預應力箱梁的溫度梯度與現行規范中的存在差異,地域差異性和橋位朝向對溫度的實測數據都有影響。

(2)由于混凝土本身的導熱性能較差,在太陽輻射和大氣溫度的升高過程中導致其內部溫度變化的明顯滯后,形成非線性分布的溫度狀態,但這種滯后性在混凝土箱形主梁的縱向溫度差異性不明顯;在梁高及腹板厚度方向則表現明顯,并且有明顯的地域性差異。

(3)武漢地區混凝土箱形梁的最高溫差外腹板出現在10∶30左右,內翼緣板出現在 14∶30左右。其主梁在梁高和梁寬方向上的溫差分布近似為指數形式,與鐵路規范的溫差分布模式基本一致。

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