鋼筋混凝土空心薄壁墩溫度梯度分布規(guī)律研究

王 運(yùn) 強(qiáng)

(中電建路橋集團(tuán)有限公司,北京 100048)

0 引言

外界溫度等自然條件的變化以及橋梁自身混凝土的低導(dǎo)熱性的特性，使得由此產(chǎn)生的年溫差荷載、日照溫差荷載對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響較大[1-3]，因此對(duì)于溫度梯度分布規(guī)律的研究有必要。目前已有研究表明，日照溫度場(chǎng)沿橋墩壁厚分布規(guī)律大體上符合指數(shù)函數(shù)曲線(xiàn)[4]。本文結(jié)合西南某大橋的實(shí)例，利用指數(shù)函數(shù)建立溫度梯度的數(shù)學(xué)模型，分析指數(shù)參數(shù)的變化趨勢(shì)，通過(guò)指數(shù)參數(shù)的變化反映壁厚、方位等因素對(duì)溫度梯度的影響。

1 工程概況

某大橋位于西南地區(qū)，左幅橋?yàn)?×40 m+4×40 m+4×40 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁橋，右幅橋?yàn)?×40 m+4×40 m+3×40 m+3×40 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁橋，上部結(jié)構(gòu)均為先簡(jiǎn)支后連續(xù)體系。單幅橋面凈寬10.75 m，最大墩高79 m。

預(yù)應(yīng)力混凝土T梁梁高2.5 m、中跨長(zhǎng)39.20 m、邊跨長(zhǎng)39.52 m。預(yù)制T梁最大吊裝重量分別為1 376 kN(中梁)、1 373 kN(邊梁)。工程區(qū)的氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)性溫濕氣候，區(qū)多年內(nèi)年平均氣溫18.1 ℃。

本項(xiàng)目選取高為79 m的4號(hào)空心薄壁墩為重點(diǎn)研究對(duì)象。在該橋4號(hào)橋墩各布設(shè)5個(gè)測(cè)試截面，進(jìn)行溫度場(chǎng)及其溫度效應(yīng)(溫度、溫度應(yīng)力、溫度位移)測(cè)試。墩身溫度測(cè)點(diǎn)包括內(nèi)外表面混凝土溫度、大氣溫度、墩身混凝土溫度、墩身內(nèi)表面溫度。主要測(cè)試橋墩的日照、寒流時(shí)刻橋墩的溫度分布及其產(chǎn)生的效應(yīng)。

2 不同季節(jié)下橋墩墩壁溫度梯度

分別計(jì)算2月12日、4月29日、8月30日在日照作用下4號(hào)墩西南壁面的溫度分布，并將各天溫度計(jì)算結(jié)果進(jìn)行擬合，如圖1～圖3所示。

從圖中可以看出，不同日期下，在不同氣溫及不同太陽(yáng)輻射強(qiáng)度作用下，壁面內(nèi)外側(cè)溫差變化較大，但擬合曲線(xiàn)中指數(shù)項(xiàng)變化較小。冬季(2月12日)夜間流失熱量在受太陽(yáng)照射時(shí)得以補(bǔ)充，因此，在日照作用下內(nèi)外側(cè)溫差較大；春季(4月29日)晝夜溫差較大，加之太陽(yáng)輻射較冬季增強(qiáng)，溫度梯度較大，故擬合曲線(xiàn)中指數(shù)較大；夏季(8月30日)白天太陽(yáng)輻射增強(qiáng)，內(nèi)外溫差較大。因此，橋墩應(yīng)力最大值多出現(xiàn)在冬、春季，而墩頂位移最大值多出現(xiàn)在冬季。

3 溫度梯度的影響因素

3.1 壁厚對(duì)溫度梯度的影響

以該大橋4號(hào)橋墩為研究對(duì)象，計(jì)算日期選取8月30日，改變其壁厚，分別為0.15 m,0.2 m,0.3 m,0.4 m,0.5 m,0.6 m,0.7 m,0.8 m,0.9 m,1.0 m，計(jì)算其內(nèi)外溫差最大時(shí)的溫度場(chǎng)，并對(duì)東南壁面、西南壁面的溫度梯度曲線(xiàn)進(jìn)行擬合。

不同壁厚下，擬合曲線(xiàn)指數(shù)參數(shù)的取值如圖4所示。

由圖4可見(jiàn)，板厚對(duì)擬合曲線(xiàn)中指數(shù)參數(shù)的影響較大，板厚越大，參數(shù)越小。

不同壁厚下，內(nèi)外側(cè)溫差如圖5所示。

由圖5可見(jiàn)，隨著板厚的增加，內(nèi)外溫差有增大的趨勢(shì)，板厚大于0.3 m后增速明顯放緩。

將西南壁面不同壁厚下溫度擬合曲線(xiàn)匯總，并均減去0.15 m處溫度差值，如圖6所示，由圖可見(jiàn)，壁厚大于0.3 m后，壁厚增大對(duì)表面0.15 m范圍內(nèi)溫度影響較小，而0.15 m后溫度曲線(xiàn)已趨于平緩，由溫度梯度引起的應(yīng)力逐漸減小，故而壁厚大于0.3 m后，壁厚的增加對(duì)溫度應(yīng)力的改變不大。

3.2 方位對(duì)溫度梯度的影響

以該大橋4號(hào)橋墩為研究對(duì)象，計(jì)算日期選取4月29日，改變橋墩方位角，計(jì)算最大溫差，并對(duì)截面溫度梯度進(jìn)行擬合，擬合參數(shù)及內(nèi)外溫差隨方位角變化如圖7,圖8所示。

由圖7，圖8可知，方位角對(duì)內(nèi)外溫差影響較大，-90°(正西向)時(shí)，內(nèi)外溫差達(dá)到最大值；穩(wěn)定梯度擬合曲線(xiàn)指數(shù)參數(shù)隨方位角改變上下波動(dòng)，方位角在-135°～+90°范圍內(nèi)(此范圍內(nèi)日照影響較大)，指數(shù)參數(shù)波動(dòng)較小，在8.9～13.1之間。因此，可取其均值10.7作為擬合曲線(xiàn)的指數(shù)參數(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

1)壁厚小于0.3 m時(shí)，壁厚對(duì)距外表面0.15 m范圍內(nèi)溫度分布影響較大，當(dāng)壁厚大于0.3 m后，壁厚的增加對(duì)壁板表面溫度

梯度影響較小。

2)方位角變化對(duì)壁板內(nèi)外側(cè)溫差影響較大，對(duì)穩(wěn)定梯度擬合曲線(xiàn)指數(shù)參數(shù)也有一定影響，方位角在-135°～+90°范圍內(nèi)(此范圍內(nèi)日照影響較大)，指數(shù)參數(shù)波動(dòng)較小，在8.9～13.1之間，可取其均值10.7為擬合曲線(xiàn)的指數(shù)參數(shù)。