溫度荷載對預應力箱梁影響的分析與研究

李云虎 潘怡宏 熊誠

(中國市政工程中南設計研究總院有限公司,湖北武漢 430000)

溫度荷載對預應力箱梁影響的分析與研究

李云虎 潘怡宏 熊誠

(中國市政工程中南設計研究總院有限公司,湖北武漢 430000)

由于預應力混凝土箱梁長期暴露在室外,所以內部會產生大量的非線性溫度場。溫度場由于其直接作用于混凝土預應力箱梁的材料產生應變,所以直接影響到混凝土預應力箱梁的耐久性以及其可靠性。在施工中經常可以見到設計完美的一些橋梁由于溫度應變導致梁板開裂,降低功用。本文通過具體試驗以及運用計算機擬合實驗數據分析在溫度荷載條件下混凝土預應力箱梁的耐久性與可靠性。得到了以下幾點結論:(1)在溫度荷載條件下,混凝土預應力箱梁會受到哪幾個方面的應力。(2)在溫度荷載條件下,混凝土預應力箱梁會受到哪幾個方向的位移。

混凝土預應力箱梁 溫度荷載 應力 撓度

1 概述

1.1 研究背景及意義

進入20世紀以后，大量的預應力構件快速發展。其中預應力混凝土箱梁由于其獨特的機構形式和良好的力學特性被廣泛運用于橋梁建設中。特別是近些年來，國內外跨度超過60m的橋梁一般都采用預應力混凝土箱型梁。比如武漢長江二橋與鄭州黃河二橋均采用的是混凝土預應力箱梁構造。但是，混凝土預應力箱型梁橋也存在著一定的問題:

(1)隨著時間的推移，混凝土預應力箱型梁橋會產生較大的撓度，并隨著時間的增長產生變化；

(2)混凝土預應力箱型梁撓度較大。在使用過程中要遠遠大于設計撓度值。

1.2 研究現狀

國外[1]自二十世紀五十年代便開始了關于溫度荷載對混凝土預應力箱型梁的影響的課題研究。隨著一部分由于溫度荷載導致的橋梁損毀以及垮塌的事故的發生，國外學者開始大量研究溫度荷載對混凝土預應力箱梁影響的課題研究。

我國則是從上世紀八十年代開始進行這類研究的。近幾十年來由于此類事故大量發生，我國開始加緊對此類問題的研究。現今階段鐵道部科學院[2]對此類問題研究成果較多。但是也是主要從具體橋梁事故以及案例中分析原因與形成機理的。

2 混凝土預應力箱型梁溫度荷載種類

混凝土預應力箱型梁主要的溫度荷載來自于長時間的陽光照射，由于陽光直射導致箱型梁內部產生溫度場，從而導致箱型梁產生一部分溫度荷載，最后產生位移以及撓度變化。溫度應力由于其形成方式不同與其結構形式不同最終會導致其產生不同的效應即溫度應力與溫度次應力。當橋梁結構為超靜定結構時，溫度荷載會使橋梁結構產生溫度次應力，也稱之為溫度約束應力。一般靜定結構會使橋梁產生溫度應力。

溫度作用的類型主要分為三種:日照溫度變化作用、年度溫度變化作用、氣候驟變溫度變化作用。由于混凝土預應力箱型梁內部溫度變化較為緩慢。所以，溫度變化比較復雜[3]。對于混凝土預應力箱型梁溫度荷載的影響要從三個方面逐個分析。

2.1 日溫度變化作用

日溫度變化作用主要影響部位有:頂板、腹板。隨著陽光照射，混凝土預應力箱型梁頂板以及腹板溫度有較為明顯的升高，但是混凝土預應力箱型梁內部溫度基本保持恒定，變化較小。根據對武漢長江二橋的實時監測，只有每小時一攝氏度的溫度變化。這種變化導致混凝土預應力箱型梁自身產生較大的溫度梯度。而且隨著外部環境的不同變化，溫度變化也較為復雜，并無法擬合成為函數曲線。

2.2 年溫度變化作用

隨著一年四季的變化，春夏秋冬周而復始，混凝土預應力箱型梁的溫度變化也呈現一種變化。這種變化比較緩慢，效果比較不明顯。所以這種變化模式是一種長期的、緩慢的變化。

2.3 氣候驟變溫度變化作用

隨著當今氣候污染嚴重，大量極端氣候的出現。氣候驟變溫度變化作用逐漸成為混凝土預應力箱型梁受到溫度效應破壞的主要作用之一。氣候驟變溫度變化效應雖然在溫度變化上要小于日溫度變化作用，但由于其作用時間短，作用時間突然所以危害較大。

3 溫度荷載對預應力箱梁影響分析

3.1 混凝土預應力箱型梁溫度場選定及其效應分析

3.1.1 溫度場的選定

隨著大跨徑橋梁的發展，溫度應力逐漸得到重視。但是對于溫度應力的研究取決于溫度場的選定。由于溫度場形式多樣，變化形式不同所以選定溫度場極其關鍵。通過對湖北武漢長江二橋進行監測，我們可以選定相應的溫度場，也就是混凝土預應力箱型梁隨溫度變化自身溫度實際變化形式。

3.1.2 混凝土預應力箱型梁橫向溫度效應

根據選定的溫度場我們對混凝土預應力箱型梁橫向溫度效應進行研究得到了以下結論:

隨著溫度不斷增加，混凝土預應力箱型梁頂板的溫度會不停的增加。頂板中點以及翼板溫度增加最快。腹板上方頂板溫度增加較慢。從而導致橫向溫差的產生，并隨著溫度的增加逐漸增加。

3.1.3 混凝土預應力箱型梁溫度效應結論

通過運用多光點人工控制的方法調整光源照射角度以及光點工作功率的方法對試驗梁進行溫度場模擬，使之與選定的溫度場呈現相同的變化趨勢。在形成溫度場的過程中對試驗梁各個截面的撓度進行實時測量，并通過附著式應變片測定試驗梁的橫向應變大小。

通過具體檢測數據以及實際施工中經驗總結我們可以得到發現:

(1)隨著溫度的增加，混凝土預應力箱型梁跨中以及支座處截面會隨著溫度的變化加速上撓。這種變形會直接導致混凝土預應力箱型梁變形增大。

(2)混凝土預應力箱型梁產生較大了較大的橫向壓應變。

3.2 溫差重復作用對混凝土預應力箱型梁效應研究

在箱梁澆筑結束后31天內開始施加預應力，待預應力筋張拉結束后對混凝土預應力箱型梁進行現場測定。測定結果顯示，混凝土預應力箱型梁整體截面呈現受拉狀態。預應力施加結束后，運用多光點光源對混凝土預應力箱型梁進行直接照射。通過光照模擬日照對混凝土預應力箱型梁溫度變化作用。通過半小時升溫，半小時降溫的措施模擬溫差重復作用。每天七次，進行周期為一個月。并對每次升溫至最高溫度時混凝土預應力箱型梁的應變以及位移進行測定。試驗結束后對測定的數據運用數據分析軟件進行擬合。

通過與軟件模擬[4]的結果對比，結果基本一致。由此對混凝土預應力箱型梁再重復溫度作用下的效果，我們可以得到以下幾點結論:

(1)隨著溫度差的不斷變化混凝土預應力箱型梁除了支座處以外，各個截面均產生了巨大的變化。各個截面的撓度不斷大量地增加，跨中截面撓度變化最為明顯。

(2)溫度變化趨勢越大，混凝土預應力箱型梁撓度變化也越大。溫度變化趨勢越小，無論溫度高低，混凝土預應力箱型梁撓度變化趨勢較小。

(3)由于溫度變化的不均等性，混凝土預應力箱型梁會產生一定的差應變。

4 結論以及發展趨勢

本文通過對長江二橋的具體檢測與運用軟件分析得到了以下幾點結論:

(1)日照溫度變化對長江二橋混凝土預應力箱型梁的影響主要特性。即溫差沿著混凝土預應力箱型梁腹板自上而下產生非線性變化。當以最低溫度為基準點時，實測溫差變化曲線與我國規范規定值基本一致。

(2)混凝土預應力箱型梁在溫度上升過程中，會產生向上的撓度。并且隨著溫度的上升，混凝土預應力箱型梁跨中部位的撓度變化速度逐漸大于其他部位。在腹板中部會產生最大縱向拉應力。

(3)日照溫度產生的溫度差不斷作用在混凝土預應力箱型梁上，混凝土預應力箱型梁各個板面的溫度變化不同，產生的應變也不一致。長期的溫度效應反復作用會導致混凝土預應力箱型梁底板的不均勻收縮，促使混凝土預應力箱型梁的撓度增大。

[1] Jamal A．Almudaiheem,Will Haseen．Effect of Specimen Size and Shape on Drying Shrinkage of Concrete[J].ACIMa2 terials Journal,1987,(2):130-135．

[2] 謝峻,王國亮,鄭曉華.大跨徑預應力混凝土箱梁橋長期下撓問題的研究現狀[J].公路交通科技,2007,1(1):47—50．

[3] 盛洪飛.混凝土箱形截面橋梁日照溫度應力簡化計算[J].哈爾濱建筑工程學院學報,1992,25(1):32—39．

[4] 邵旭東,李立峰,鮑衛剛.砼箱形梁橫向溫度應力計算分析[J].重慶交通學院學報,2000(4)．