混凝土橋梁設計中的溫度效應

李燕清 張富貴

【摘 要】混凝土橋梁設計中的的溫度效應問題涉及到傳熱學、氣象學、一般天文學和結構分析等多個學科的知識，具有復雜性和多學科交叉性的特點，其理論研究和試驗體系尚不十分成熟，有許多問題有待更深入的研究和探索。

【關鍵詞】混凝土橋梁；橋梁設計；溫度效應

一、溫度效應對混凝土橋梁設計的重要意義

在混凝土橋梁使用過程中，會受到環境中的各個因素的影響。例如：空氣、水分、氯離子等化學物質，在各種因素中溫度飛影響是最直接的，對于橋梁整體結構的破壞也最為嚴重，溫度對于橋梁結構影響的最直接的原因就是由于溫度差而產生的溫度力。溫度應力對于混凝土橋梁的破壞主要體現在兩個方面：

1.溫度自應力：混凝土橋梁結構內部不同纖維由于溫度作用產生變形引起的相互之間的作用，這種溫度應力就是溫度自應力。

2.溫度次應力：混凝土橋梁由于溫度的影響受到來自外界的變形約束力，這種溫度應力被稱為溫度次應力。

隨著當前混凝土橋梁工程建設的迅速發展和結構規模的不斷增大，由于混凝土橋梁設計中工程建設和安全質量控制郡守溫度效應的影響。因此，溫度效應對于實際混凝土橋梁工程建設影響的分析和研究具有十分重要的意義。

二、混凝土橋梁溫度效應的特點

（一） 混凝土橋梁結構， 受氣象因素影響而產生的溫度變化，可以看成是有由兩個基本的周期性變化所組成：

1.以年為周期的結構內部平均溫度的緩慢變化，即年溫變化；

2.每天太陽輻射及氣溫波動等氣象條件變化所引起的非線性溫度變化；

3.在施工過程中， 還有由新澆混凝土水化熱引起的溫度荷載， 這種臨時的溫度荷載一般通過適當的施工措施來控制， 如冷卻水降溫、加強養護以及使用低熱水泥等措施。年溫變化比較簡單， 其溫度效應也比較容易確定。 年溫變化主要引起結構軸線方向的長度變化， 只有當這種縱向變形受到約束時，才會引起附加的溫度應力，而且由于變化緩慢，會受到混凝土徐變影響而削弱，由此引起的溫度應力一般比較小。

（二）每日氣象條件變化引起的溫度荷載效應，一般可分成日照溫度荷載和驟然降溫荷載。混凝土橋梁結構與外界環境的熱交換可分為三種形式：

1.混凝土表面吸收來自太陽輻射的熱能；

2.混凝土表面與大氣的對流換熱；

3.大氣和周圍環境的輻射換熱；

其中以無云晴天太陽輻射的換熱強度最大。當混凝土結構受到日照作用時，表面溫度迅速升高，但由于混凝土傳熱性能很差，熱量向混凝土內部傳遞的速度很慢，從而使外表面和混凝土內部的溫度變化速率存在很大的差異，內部的溫度變化明顯滯后于外表面處的溫度變化， 這樣就在混凝土結構中產生較大的非線性溫差。 混凝土外表溫度在太陽輻射強度峰值后的某一時刻達到最高值，然后隨著太陽輻射強度的降低，外表溫度開始下降。夜間太陽輻射消失，氣溫下降，白天積蓄在混凝土內部的熱能向外傳遞，因此在夜間又會出現內高外低的負溫差。此外，寒潮降溫也會在混凝土結構中引起負溫差，但寒潮降溫一般歷時較長， 由此引起的混凝土溫度變化速率較慢，而且寒潮出現概率也要遠小于日照出現的概率。

三、混凝土橋梁設計中溫度效應實際設計

針對溫度效應對橋梁結構的影響，在實 際的橋梁設計過程中必須從實際出發，針對不 同的結構進行相應的預防分析及具體設計 。

（一）上部結構的溫度效應設計

在上部結構的溫度效應設計張，應從三個方面進行實際的分析和設計：

1.橋梁上部結構溫度荷載分析與設計應當與構件材料的特性相聯系。

例如 ：鋼管混凝土拱橋在溫度相應分析與防護設計過程中必須考慮鋼管與內部混凝土之間的溫差應力對整體結構造成的影響。

2.橋梁上部結構溫度荷載分析與設計應當與結構體系特性相聯系 。

很多橋梁形式其結構體系特性的溫度特點是不 同的。例如：傳統拱橋的在溫度效應分析及設計過程中只需考慮年溫差載荷效應，而對于組合梁體系則主要考慮構件之間的溫差效應載荷。在這其中，最為顯著的橋梁結構形式是斜拉由于斜拉橋的構件組成較多。并且是鋼梁混凝土、其他金屬多種材料組成的。因此，在考慮溫度載荷分布及效應分析過程中不僅要考慮溫差效應，還要考慮各個構件之間的溫度應力作用。

3.橋梁上部結構溫度荷載分析與設計應當綜合考慮耦合應力的影響。

橋梁上部結構除了受到溫度應力影響之外長時間承受車輛及行人載荷的影響，除此之外 預應力混凝土橋梁內部還存在顯著的鋼筋預應力。所以，上部結構的應力破壞更多的是由于耦合應力作用。所以，在上部結構溫度載荷分析過程中不能單獨將溫度應力作為單一因素考慮。還應分析溫度應力與其他應力之間的耦合作用。

（二）橋墩結構的溫差效應設計

橋墩作為混凝土橋梁整體的支撐體系，溫差效應會對其穩定性產生顯著的影響 因此 ， 在橋梁設計過程中，要充分考慮橋墩結構的溫差效應。與上部結構溫差效應分析層面相同。橋墩結構的溫差效應設計應當 以下三個方面入手：

1.橋墩溫差效應必須分析 日照溫 差效應 。

2.必須明確溫差應力 的非線性分布 問題 。

3.必須進行有效的約束設計。

在橋墩溫差應力計算中均應按上端有水平約束的情況來考慮。

四、橋梁設計中溫度效應實際設計中應該注意的問題

在實際的橋梁設計過程中度效應的設計還需要注意以下幾個問題 。

1.對于結構重要結點的分析問題，可采用溫度場有限元分析 方法來確定最不利溫度分布；

2.對于結構整體分析計算問題，經過理論計算與實測資料分析，一般可將空間溫度場簡化為二維變量分離的最不利溫度分布，亦即用兩個一維的溫度分布近似疊加組合。這也是許 多國家規范普遍用的方法 ；

3.橋梁結構溫差荷載效應的分析，由局部溫差應力分析和結構整體效應分析兩部分組成 并根據各種溫差荷載發生的可能性進行疊加。

4.日照、驟然降溫溫差荷 對結構的影響往往不亞于車輛荷載產生的效應，我國公路橋梁規范中溫差荷載的數值較小，故在設計計算中應注意這一問題 。

五、結束語

為保證混凝土橋梁結構設計和建設具有足夠的強度、剛度、穩定性和耐久性，滿足規定設計年限內正常使用的要求和全壽命費用最低的目的， 必須準確分析和計算溫度效應對橋梁結構的影響，在設計和施工中采取合理、有效的措施。

參考文獻：

[1] 范立礎. 橋梁工程（ 第二版）[M]. 北京： 人民交通出版社，2001.

[2] 項海帆. 高等橋梁結 構理論[M]. 北京： 人民交通出版社，2001.

[3] 劉興法. 預 應力混凝土箱梁溫度應力計算方法 [J]. 土木工程學報， 1986，19（l）.