預應力混凝土I型梁溫度梯度分布規律

趙立財

1.臺灣科技大學營建工程系，臺灣臺北10607

2.中鐵十九局集團有限公司，北京100176

近年來，世界氣候發生了顯著變化，這種變化對交通運輸系統產生了明顯影響。已有研究表明，氣候變化的過程中溫差變化也更強烈、更持久、更頻繁，溫差會增加橋梁的應力集中，導致產生新的裂縫，降低橋梁的使用性、耐久性和結構的穩定性[1-2]。因此，分析已有研究和檢查當前的設計標準顯得非常重要。

橋梁結構經常暴露在環境溫度下，混凝土橋梁在縱向、豎向和橫向都會經歷較大的溫度變化。一般情況下，橋梁縱向溫度被認為是均勻分布的，但在橫斷面上的垂直和橫向方向溫度是漸變的。在靜定結構中，膨脹和縱向溫度變化引起的收縮通常與伸縮縫有關；而在超靜定結構中，縱向溫度變化會產生一組自平衡應力[3-4]。當梁段表面的溫度增加且結構尺寸較大時，在橫截面內將產生非線性的溫度分布，進而產生能夠影響結構外觀的自平衡應力。然而，工程中關注更多的往往是橫向溫度梯度。很多橋梁倒塌事件也說明掌握混凝土橋梁橫向溫度的分布顯得尤為重要。值得注意的是，當梁一側經太陽輻射溫度增加并引起側向彎曲時，會發生溫度熱傳遞現象，這會導致結構偏心，降低構件的橫向穩定性。因此，本研究的主要目的是通過實驗確定主梁橫向和縱向的溫度梯度變化規律。

當前我國設計規范中對溫度梯度定律推導時，研究人員通過對箱梁截面的溫度進行監測，確定主要的溫度輸入源為梁頂太陽輻射，并指出，相比垂直溫度流，橫向溫度流可以忽略。為了量化基于單向溫度流分析所得自平衡應力，研究人員開發了一種通過使用第五階曲線來表示垂直溫度梯度的溫度分布模型[5]。其確定了3個主要對溫度的影響因素，即風速、環境溫度在箱梁中產生的溫差、黑色的橋面。而由于我國氣候條件多樣化，在對設計規范中梁體橫截面溫度梯度標準修正時應將不同地理位置的氣候條件、截面形狀以及材料特性，納入到梁體混凝土溫度分布規律確定的重要影響因素當中。

在公路橋涵設計通用規范(JTGD60-2015)中指出，如果裸鉛溫度探測器鉆孔總深度小于400 mm，則溫度探測器埋入梁體的實際深度為距離混凝土表面的孔深減去100 mm。另外據盛興旺等[6]的研究可知，許多因素對混凝土的溫度性能都有影響，但這些性質不足以顯著影響溫度梯度。因此，即使在本研究中使用來自不同場地的混凝土梁段進行實驗，也不會影響溫度監測結果。

1 實驗設計

橋梁結構有3個主要溫度傳導機制，即直接太陽輻射、周圍空氣溫度的對流以及地面太陽光反射，其影響梁段不同深度和寬度的溫度變化，橋梁結構溫度傳導機制如圖1所示。

圖1 傳溫度機制

把某橋的2個預應力混凝土I型梁的截面分別放置于黃家村試驗場(截面1)和御景壟譚家村試驗場(截面2)，對I 型梁的截面1和截面2進行探溫器布置，I型梁截面尺寸及探溫器布置如圖2所示。每節段I型梁體需設置29個探溫器，其中有12個探溫器位于橫截面內部中心呈工字形分布，與之相對應的節段梁體中部翼緣板與腹板的外表面布設有17個探溫器。如此選擇測量位置的目的是要全面了解垂直和橫向的溫度梯度。本次實驗數據記錄時間為2019年4 月—2020年1月。

圖2 I型梁截面尺寸及探溫器的布置形式

1.1 儀器儀表和溫度測量

對于內部探溫器，首先需在裸鉛探頭上涂覆環氧樹脂，以防止水分作用引發探頭故障。然后將探溫器連接到鋼筋框架上，放置探溫器時需注意不要讓探頭和鋼筋之間發生接觸，從而避免對溫度讀數產生影響。另外，為提供備份選項，應在每個位置放置2個探頭。對于表面探溫器的放置，傳統方法是將裸鉛探溫器放置在梁段的表面上并用EP氧膩子固定在適當位置，這些探針受環境空氣中溫度的影響較大；本文采用方法是以3.175 mm 直徑的小孔鉆入混凝土表面約12.7 mm深，再將裸鉛探溫器置于這些孔中，并用EP 氧膩子封堵鉆孔并固定。這種方法能避免探溫器受環境空氣溫度影響，提供更準確地讀數，以期減小誤差。

1.2 應變測量

在梁段的2個表面設置可拆卸的機械應變點。在空間允許的情況下，在每根梁的南側面四點網格上布置應變計。早晨的讀數被認為是零膨脹狀態；之后隨著溫度上升，認為是膨脹狀態；待午夜溫度降低后認為是收縮狀態。使用已知的量規長度和測量點之間距離的變化來計算應變百分比；采用典型的溫度膨脹系數為9(-6℃)的混凝土，估算膨脹后的溫升，并與同一時間段的實測溫升進行比較。應注意的是，在比較橫梁表面上的膨脹讀數與內部溫度時會存在一些固有誤差，因為需要假定溫度在橫向上恒定不變，雖然實際情況并非如此。然而，這種比較仍然能夠給出較為合理的溫度梯度。

所有探溫器被放置在每個區段之后，連接數據采集系統，以10 min 的間隔記錄讀數。數據大約以2周的時間間隔上傳。系統的持續運行由太陽能供電支持。由于維護或暫時失去電力，在數據收集上可能存在一些間隙，這些數據間隙并不影響本研究的結果或結論。圖3給出了完整的梁段儀表的布局情況。為盡可能地模擬橋梁的實際現場條件，將梁體放置在支承墊塊上，以防止地面對其產生任何影響，并允許空氣在梁體下面流動，這與實際的橋梁結構形式完全相同。為防止過度的地面太陽反射，在每一梁段下方放置一塊深色反射板。在砌體支撐和梁之間放置溫度傳導系數低的木材，防止溫度損失或兩端的增益，并用聚苯乙烯泡沫板連接到每個段的末端。梁體起重吊點安裝具有絕緣的提鐵(吊鉤)，以減輕潛在的溫度梯度效應。

圖3 梁段監測設備布局

在2個試驗地點，主梁放置方向都為東—西向。以往的研究表明，這種取向會產生最大的垂直和橫向溫度梯度。具體來講，當只有梁的一側暴露于太陽下，這種取向對橫向溫度梯度影響最大。由于環境數據沒有直接收集，為了分析導致最極端溫度梯度的環境條件，從附近的國家海洋和大氣管理局站收集氣象數據，包括最大和最小日氣溫、平均日風速和降水量，地面太陽輻射讀數從氣象站獲取。

2 溫度梯度數據分析

2.1 實測垂直溫度梯度與修正

溫度讀數以10 min 為周期連續采集10個月。探溫器中心垂直線上的最高和最低溫度讀數之間的差值為最大垂直溫度梯度。最大垂直溫度梯度值如表1所示。由表1可知，實測最大溫度梯度發生在9月22日下午1:00，溫度梯度為27.6℃，這是因為當天風速較低，環境溫度變化大。然而，根據當地部門的天氣記錄資料，最大太陽輻射的時間約為6月29下午2:00左右，觀察到的當日最大垂直溫度梯度值為26.0℃。

表1 最大垂直溫度梯度測量數據

這說明極端溫度不一定產生最極端的垂直溫度梯度。探溫器中測量的數據將表明，極端溫度梯度的發生從來不與極端溫度事件相隨，由此可知溫度梯度與極端溫度也是不相關的。這一結果可為今后的橋梁梁體結構設計提供有利的參考依據，極端溫度梯度與極端溫度因素不是關鍵的設計條件。

本研究中，I型梁體截面V 型區段(部位)的溫度梯度數據在2019年9月—2019年11月期間變化不大。2019年11月23號12:00 梁體截面不同深度的溫度變化如圖4所示。

圖4 鉆孔中的裸鉛探溫器溫度變化

由圖4可知，內部探溫器顯示了梁中溫度分布的更精確圖像；因為表面探溫器易受周圍空氣溫度的影響，無法捕獲實際的表面溫度。探測器溫度記錄變化很大，在這一天I型梁體截面V 型區段（部位）中的監測數據中觀察到最大的垂直溫度梯度與常用規范中的規定不同，常用規范中的垂直溫度梯度需參考圖4右側進行修正。此處的研究目是為在進行混凝土構件設計時，根據探測的極端高溫和極端低溫值的溫差數據，確定是否需要調整溫度系數的取值[7]。

2.2 實測橫向溫度梯度與修正

主梁南面暴露在陽光下，整個北面被遮蔽，所有的試件都定向于東—西向。表2列出了2019年6月—2019年11月實驗場地的最高和最低溫度的日期以及橫向溫度梯度數據，由歷史記錄可知，2019年6月—2019年10月有90 d 以上的日記錄高點（32°C及以上），梁體最大橫向溫度梯度為2019年10月14日（如表2所示）。說明最大橫向溫度梯度只有在夏季和秋季的月份才會出現。從梯度樣本可以發現，黃家村試驗場6月和7月的最大橫向梯度分別發生在6月10日和7月27日，8月份的最大橫向梯度發生在8月25日。

表2 觀測到的最大橫向梯度日的環境條件

在大多數情況下，低風速也會導致較大的溫度梯度的產生。由記錄可知，雖然10月、11 月的環境風速比6月—9月高很多，但是6月—9月的高溫度范圍遠高于10月、11月。基于應變讀數的理論溫升與I型梁體在同一時間的實測溫升進行了比較，如圖5所示。發現橫向溫度梯度與垂直梯度變化趨勢相同，說明I 型梁體截面的V 型區段（部位）經歷了類似垂直溫度梯度變化過程，觀察到最大橫向溫度梯度與垂直溫度梯度形態較接近。

實測結果表明，在梁的上部測量結果能夠與規范和理論預測值很好地匹配，在下部稍有偏差。通過南昌市黃家村試驗場和御景壟譚家村試驗場2個梁體截面的現場實測，測得的截面不同區段(部位)最大溫升位置是一致的。但是在梁體混凝土外表面上采取膨脹讀數，并與梁段中部的內部探溫器進行比較時，這2個場地的梁體混凝土面的溫度梯度之間存在一定偏差。

圖5 從應變讀數得出理論溫升與試驗場實測溫升比較

2.3 測量梯度與梯度模型的比較

Jong-Han Lee[8](李氏方法)提出了I型梁體混凝土受太陽輻射熱量影響條件下不同深度的垂直溫度分布值，圖6給出了I型梁體截面V 型區段的《公路橋涵設計通用規范》、李氏方法以及實驗實測三者間垂直溫度梯度差異對比情況。

圖6 不同方法截面垂直溫度梯度比較

由圖6垂直溫度梯度對比結果可知，設計規范、李氏方法與實驗中實測值存在一定差異，其中I型梁底翼緣板截面V 型區段測得的溫度差異高，其原因是由于在秋季垂直面太陽照射角度較小和陽光直射更多[9-10]。

在我國的公路橋涵規范中并沒有給出用于混凝土橋梁的穩定橫向溫度梯度，但是李氏方法[8]給出了這一溫度梯度值。為了比較實測與李氏方法的差異，圖7中同時給出I型梁體翼緣板截面V 型區段多個工況下李氏溫度梯度與實測橫向溫度梯度值。

圖7 實測與預測截面橫向溫度梯度比較

由圖7分析結果可知，在所有的頂部翼緣板截面不同位置的橫向溫度梯度呈下降趨勢，溫度的改變量幅值非常相似，其原因在試驗場于10月中旬觀察到的晝夜溫差最大[11-12]。

3 結論

1)通過自然條件下混凝土I型梁的溫度試驗發現，現行的設計標準不能準確地預測混凝土I型梁截面豎向溫度梯度。具體而言，當考慮具有比頂緣更寬的底部凸緣的梁時，規范中對垂直梯度在大小或形狀上的規定不準確。另外，缺少對截面橫向溫度梯度的規定。

2)在考慮溫度梯度時，極端溫度未必是臨界設計條件。而較大的日溫度變化、低風速是重要的影響因素。

本研究的一個初步假設是在橋面鋪裝之前，預制成型的混凝土I 型梁會出現極端的垂直和橫向梯度。這一假設有待進一步研究。另外，過大的表面積通過吸收太陽輻射會造成較大的垂直梯度。本文的研究成果有益于我國《公路橋涵設計通用規范》對I 型梁體截面溫度梯度規定內容的修正。