福州地區(qū)混凝土箱梁腹板和底板板厚溫差試驗(yàn)研究

(福州市公路局直屬分局，福州350001)

福州地區(qū)混凝土箱梁腹板和底板板厚溫差試驗(yàn)研究

■游華明

(福州市公路局直屬分局，福州350001)

預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋由于其良好的受力特性而在橋梁結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用，但是在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，相當(dāng)數(shù)量混凝土箱梁的頂板、腹板、底板等部位出現(xiàn)了各種形式的裂縫，研究表明，溫度應(yīng)力是引起混凝土箱梁開(kāi)裂的其中一個(gè)重要原因。對(duì)混凝土箱梁溫度場(chǎng)的研究已開(kāi)展較多，但主要集中在沿截面豎向及沿頂板板厚方向，對(duì)混凝土箱梁箱體腹板和底板沿板厚方向的溫差研究還較少。為此，本文對(duì)福州地區(qū)的1座預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁梁橋進(jìn)行了為期1年的溫度觀測(cè)，在腹板和底板沿板厚方向進(jìn)行了結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的測(cè)試，積累了寶貴的溫度數(shù)據(jù)，得出了一些有益的結(jié)論。

箱梁溫度腹板底板試驗(yàn)與研究

0 引言

隨著公路建設(shè)事業(yè)特別是高速公路建設(shè)的迅猛發(fā)展，預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁(以下簡(jiǎn)稱混凝土箱梁)橋由于其良好的受力性能和維修簡(jiǎn)便的特點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用[1]。但是在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，相當(dāng)數(shù)量混凝土箱梁的腹板、頂板、底板、橫隔板以及齒板等部位出現(xiàn)了各種形式的裂縫，裂縫的存在對(duì)結(jié)構(gòu)的耐久性、安全度和正常使用都會(huì)產(chǎn)生十分不利的影響[2-5]。引起箱梁開(kāi)裂的原因很復(fù)雜，尚未完全探明，但是有關(guān)研究表明，溫度應(yīng)力是引起混凝土箱梁開(kāi)裂的其中一個(gè)重要因素[6-7]。

試驗(yàn)觀測(cè)是研究混凝土箱梁溫度場(chǎng)的一個(gè)重要手段，但大部分學(xué)者[8-15]對(duì)對(duì)混凝土箱梁的溫度場(chǎng)試驗(yàn)方面的研究主要局限于箱梁截面溫度分布的研究，康為江、袁建偉[16-17]等人雖然對(duì)箱梁板厚方向的溫度場(chǎng)進(jìn)行了試驗(yàn)觀測(cè)，但也主要是針對(duì)頂板和底板板厚方向，對(duì)腹板板厚方向并沒(méi)有進(jìn)行深入研究。因此，本文對(duì)福州地區(qū)的一座預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋的腹板和底板進(jìn)行了為期1年的實(shí)橋溫度觀測(cè)，以期得到一些有益的結(jié)論。

1 工程概況

鰲峰大橋是福州市內(nèi)跨越閩江的一座8跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋，橋梁方位角為北偏東12°。鰲峰大橋全長(zhǎng)500.90m，主橋橋式為8孔預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁，跨徑為40.45m+6×70m+40.45m，主橋上部構(gòu)造主梁為雙箱單室箱形梁，兩箱完全對(duì)稱。兩箱單獨(dú)施工，中間預(yù)留50cm濕接頭，各自形成八跨連續(xù)梁后再把兩箱聯(lián)接起來(lái)。結(jié)構(gòu)采用三向預(yù)應(yīng)力體系，主梁混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)為C50，橋面鋪裝層為8cm厚C30混凝土鋪裝層。鰲峰大橋總體布置圖與實(shí)橋照片分別見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 福州鰲峰大橋總體布置圖(單位：cm)

圖2 福州鰲峰大橋?qū)崢蛘掌瑘D

2 溫度場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選用長(zhǎng)沙金碼高科技實(shí)業(yè)有限公司研制的JMT-36C溫度傳感器、JMWT-64型溫度自動(dòng)采集儀、JMZX-2007型無(wú)線收發(fā)模塊進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的測(cè)量和采集，試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖3。

圖3 溫度測(cè)量與采集裝置

本試驗(yàn)利用實(shí)橋左箱梁腹板和底板上的通風(fēng)孔進(jìn)行溫度傳感器的布設(shè)，布設(shè)后灌注與主梁同標(biāo)號(hào)混凝土。為了反映太陽(yáng)輻射對(duì)箱梁截面的影響，以及太陽(yáng)輻射對(duì)沿橋梁縱向不同尺寸箱梁截面的作用效果,選擇了兩個(gè)箱梁截面布置溫度測(cè)點(diǎn)，分別是第2跨的1/4跨截面(I-I截面)和1/2跨截面(II-II截面)進(jìn)行測(cè)量，觀測(cè)截面位置如圖4所示。在兩個(gè)截面箱梁東西側(cè)腹板各等間距布設(shè)10個(gè)溫度傳感器，底板也等間距布設(shè)10個(gè)溫度傳感器，并在箱梁橋面、腹板和底板的外側(cè)和箱梁內(nèi)側(cè)均布置了1個(gè)測(cè)試環(huán)境溫度的傳感器，截面測(cè)點(diǎn)布設(shè)見(jiàn)圖5和圖6。

圖4 箱梁溫度觀測(cè)截面布置圖(單位：cm)

3 溫度測(cè)試結(jié)果分析

對(duì)福州鰲峰大橋的溫度觀測(cè)是從2010年4月1日開(kāi)始，直至2011年3月31日結(jié)束，觀測(cè)間隔是1h。期間除去數(shù)次更換設(shè)備電池的間隔，本試驗(yàn)一共采集了345天、8280小時(shí)的溫度數(shù)據(jù)，

3.1 沿橋梁縱向的溫度分布研究

國(guó)內(nèi)外大量研究表明[16,18,19]，混凝土箱梁橋無(wú)論是受到太陽(yáng)輻射的影響導(dǎo)致箱梁溫度升高，還是受到寒流和大氣流動(dòng)等其他因素的影響導(dǎo)致箱梁溫度下降，除了在箱梁端部范圍內(nèi)溫度會(huì)有明顯的變化外，其余沿箱梁體縱向的溫度分布是均勻的。

圖5 I-I截面測(cè)點(diǎn)布設(shè)圖

圖6 II-II截面測(cè)點(diǎn)布設(shè)圖

本文為了驗(yàn)證箱梁溫度分布是否沿箱梁縱向也是一致，選取了如圖4所示的I-I截面和II-II截面進(jìn)行對(duì)比分析，圖7示出了2010年8月2日的箱梁腹板和底板對(duì)應(yīng)位置的測(cè)點(diǎn)溫度變化規(guī)律的比較。

由圖7看出，腹板和底板對(duì)應(yīng)位置的測(cè)點(diǎn)的溫度變化規(guī)律十分吻合，腹板溫度差值不超過(guò)±0.9℃，底板溫度差值不超過(guò)±0.5℃。上述結(jié)果表明箱梁沿橋梁縱向的溫度分布是均勻的，可以認(rèn)為，在誤差許可范圍內(nèi)，沿橋梁縱向的溫度分布是一致的。在進(jìn)行箱梁溫度場(chǎng)分析時(shí)，可將復(fù)雜的三維溫度場(chǎng)轉(zhuǎn)化為較為簡(jiǎn)單的二維溫度場(chǎng)來(lái)進(jìn)行處理分析，這在工程精度上可行的。

3.2 對(duì)全年觀測(cè)結(jié)果的一般性分析

圖7 2 0 1 0年8月2日對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)溫度變化對(duì)比

圖8為腹板和底板沿板厚方向溫差的全年觀測(cè)結(jié)果。其中，正溫差溫度分布指的是箱外溫度較箱內(nèi)溫度高的箱梁溫度分布情況，負(fù)溫差溫度分布指的是箱外溫度較箱內(nèi)溫度低的箱梁溫度分布情況，而零溫差溫度分布指的是箱外溫度與箱內(nèi)溫度基本處于一致的箱梁溫度分布情況。

由圖8可以看出，箱梁腹板和底板沿板厚方向日最大溫差全年變化趨勢(shì)基本一致。對(duì)于日最大正溫差分布，全年無(wú)明顯季節(jié)性分布，溫差范圍主要處于0～+5℃之間，其中2010年4月19日、2010年4月20日、2010年8月2日、2010年8月10日、2011年3月20日這5天的日最大正溫差較明顯，均超過(guò)了+4℃，最不利日正溫差出現(xiàn)在2010年8月2日，腹板正溫差達(dá)到+4.9℃，底板正溫差達(dá)到+4.8℃；

對(duì)于日最大負(fù)溫差分布，全年同樣無(wú)明顯季節(jié)性分布，溫差范圍主要處于-5～0℃之間，其中2010年4月2日、2010年4月22日、2010年12月15日、2010年12月16日、2011年3月15日這5天的日最大負(fù)溫差較明顯，均小于-3.5℃，最不利日最大負(fù)溫差出現(xiàn)在2010年12月16日，腹板負(fù)溫差達(dá)到-4.9℃，底板負(fù)溫差達(dá)到-4.6℃。

3.3 對(duì)全年最大溫差出現(xiàn)條件的一般性分析

圖8 腹板和底板沿板厚方向溫差的全年性觀測(cè)結(jié)果

為了研究產(chǎn)生腹板和底板沿板厚方向最不利溫差出現(xiàn)的環(huán)境條件，表1示出了上述日最大正溫差超過(guò)4℃以及日最大負(fù)溫差小于-3.5℃的觀測(cè)日的環(huán)境狀況，同時(shí)為了增強(qiáng)對(duì)比性，表中增添了溫差在±1℃內(nèi)的5個(gè)觀測(cè)日的環(huán)境狀況，即對(duì)箱梁幾乎不產(chǎn)生影響的溫度分布的環(huán)境狀況。觀測(cè)日的大氣氣溫是由布置的溫度傳感器采集得到，觀測(cè)日的風(fēng)速和太陽(yáng)輻射資料則是從福建省氣象站獲取。

由表1可以看出，對(duì)于箱梁腹板和底板沿板厚方向的最大正溫差分布，一般出現(xiàn)在太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈，大氣溫度上升明顯，風(fēng)速較小，且為陰雨天過(guò)后的晴天天氣；對(duì)于箱梁腹板和底板沿板厚方向的最大負(fù)溫差分布，一般出現(xiàn)在太陽(yáng)輻射微弱，大氣降溫幅度較大，風(fēng)速較大的陰雨天天氣；對(duì)于箱梁腹板和底板沿板厚方向的零溫差分布，一般出現(xiàn)在太陽(yáng)輻射微弱，且大氣溫度變化幅度不明顯的陰雨天天氣。

表1 選取觀測(cè)日的環(huán)境狀況

3.4 三種典型溫度分布分析

根據(jù)全年觀測(cè)結(jié)果，最不利正溫差分布可以取2010年8月2日的溫度分布形式進(jìn)行分析，最不利負(fù)溫差分布可以取2010年12月16日的溫度分布形式進(jìn)行分析,而零溫差分布可以取2010年10月18日的溫度分布形式進(jìn)行分析。

3.4.1 最不利正溫差分析

2010年8月2日天氣狀況是晴天，太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈，箱梁截面溫度主要受太陽(yáng)輻射的影響。腹板由于箱梁翼緣的遮擋作用全白天基本處于陰影中，僅受到太陽(yáng)散射和地面反射的作用；箱梁底板全天只受到地面反射的影響。圖9示出了I-I截面和II-II截面東西側(cè)腹板及底板測(cè)點(diǎn)的溫度變化規(guī)律。

圖9 8月2日東西側(cè)腹板和底板溫度變化

從圖9可以看出，在6:00以前，箱梁沒(méi)有受到太陽(yáng)輻射的影響，大氣溫度變化幅度較小，腹板和底板測(cè)點(diǎn)溫度沒(méi)有明顯變化；在6:00～18:00之間，箱梁受到太陽(yáng)輻射和周?chē)髿鉁囟壬叩挠绊?，腹板和底板測(cè)點(diǎn)的溫度均有所升高，在14:00時(shí)，腹板和底板外表面的溫度達(dá)到最大值；此后，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度逐漸減小到零，大氣溫度有所降低，所以靠近腹板和底板外表面測(cè)點(diǎn)溫度開(kāi)始下降，逐漸趨于平緩?？拷拱搴偷装鍍?nèi)表面測(cè)點(diǎn)的溫度由于受外界影響小，全天溫度處于緩慢的上升狀態(tài)。在太陽(yáng)輻射作用下，越靠近箱外，溫度變化越劇烈，越靠近箱內(nèi)，溫度變化越緩和，腹板和底板沿板厚方向的正溫差分布明顯。在14:00時(shí)，東西側(cè)腹板和底板的正溫差均達(dá)到最大，分別為4.8℃、4.9℃和4.8℃，以上分析表明：最不利正溫差出現(xiàn)在午間太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈，外表面溫度達(dá)到最大時(shí)。

3.4.2 最不利負(fù)溫差分析

2010年12月16日的天氣狀況是陰雨天，太陽(yáng)輻射很弱，全天24h氣溫有明顯下降，最低溫度下降到5℃以下，屬于典型的寒潮降溫天氣。由于太陽(yáng)輻射很弱，箱梁主要是以與外界空氣發(fā)生對(duì)流、熱輻射交換為主，箱梁截面溫度分布主要受寒潮降溫的影響。圖10示出了I-I截面和II-II截面東西側(cè)腹板及底板測(cè)點(diǎn)的溫度變化規(guī)律。

從圖10可以看出，在10:00以前和16:00以后，箱梁主要受寒潮降溫的影響，腹板和底板測(cè)點(diǎn)溫度下降幅度較大。在10:00～16:00之間，大氣的氣溫有所回升，箱梁外表面與大氣的對(duì)流換熱使腹板和底板測(cè)點(diǎn)溫度下降幅度有所減小。在寒潮降溫的影響下，靠近箱外表面的測(cè)點(diǎn)溫度較靠近箱內(nèi)表面的測(cè)點(diǎn)溫度變化劇烈，腹板和底板沿板厚方向的負(fù)溫差分布明顯。在9:00時(shí)，東西側(cè)腹板和底板的負(fù)溫差均達(dá)到最大，分別為-4.9℃、-4.5℃和-4.6℃，以上分析表明：最不利負(fù)溫差出現(xiàn)在寒潮降溫后，氣溫回升前，外表面溫度達(dá)到最低時(shí)。

3.4.3 零溫差分析

2010年10月18日的天氣狀況是陰雨天，太陽(yáng)輻射很弱，全天24h氣溫?zé)o明顯變化。由于太陽(yáng)輻射很弱，箱梁主要是以與外界空氣發(fā)生對(duì)流、熱輻射交換為主。圖10～圖11分別示出了I-I截面和II-II截面左箱東西側(cè)腹板及底板測(cè)點(diǎn)的溫度變化規(guī)律。

從圖10和圖11可以看出，全天24h腹板和底板測(cè)點(diǎn)溫度的變化幅度較小，測(cè)點(diǎn)溫度基本處于22..5℃～24.5℃之間，且全天箱梁腹板和底板的正負(fù)溫差均很小，僅在±1℃以內(nèi)，可認(rèn)為此時(shí)腹板和底板的溫度分布近似于零溫差分布。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)以福州地區(qū)的鰲峰大橋?yàn)閷?duì)象，進(jìn)行了為期1年的溫度觀測(cè)，積累了較寶貴的數(shù)據(jù)，對(duì)研究混凝土箱梁的溫度分布提供了重要的數(shù)據(jù)支撐。

圖10 1 2月1 6日東西側(cè)腹板和底板溫度變化

圖1 1 1 0月1 8日東西側(cè)腹板和底板溫度變化

(2)沿混凝土箱梁縱向兩個(gè)截面上對(duì)應(yīng)位置測(cè)點(diǎn)的溫度對(duì)比表明：對(duì)應(yīng)位置測(cè)點(diǎn)的溫度變化規(guī)律十分吻合，最大差值不超過(guò)±0.9℃,證明了箱梁沿橋梁縱向的溫度分布是基本一致的，可近似將復(fù)雜的三維溫度場(chǎng)轉(zhuǎn)化為較為簡(jiǎn)單的二維溫度場(chǎng)來(lái)進(jìn)行處理分析。

(3)腹板和底板全年溫度數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果表明：腹板最大正溫差達(dá)到+4.9℃，底板最大正溫差達(dá)到+4.8℃；腹板最大負(fù)溫差達(dá)到-4.9℃，底板最大負(fù)溫差達(dá)到-4.6℃，均不容忽視。

(4)全年最大溫差出現(xiàn)條件的一般性分析表明：最大正溫差分布一般出現(xiàn)在太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈，大氣溫度上升明顯，風(fēng)速較小，且為陰雨天過(guò)后的晴天天氣；最大負(fù)溫差分布一般出現(xiàn)在太陽(yáng)輻射微弱，大氣降溫幅度較大，風(fēng)速較大的陰雨天天氣；零溫差分布一般出現(xiàn)在太陽(yáng)輻射微弱，且大氣溫度變化幅度不明顯的陰雨天天氣。

(5)三種典型溫度分布分析表明：最不利正溫差出現(xiàn)在午間太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈，外表面溫度達(dá)到最大時(shí)；最不利負(fù)溫差出現(xiàn)在寒潮降溫后，氣溫回升前，外表面溫度達(dá)到最低時(shí)。

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