氣候環(huán)境因素作用下預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋溫度場(chǎng)分析

王文利，陳松男，張文嬌，簡(jiǎn)家碩，孫悅

（1.吉黑高速山河至哈爾濱段工程建設(shè)項(xiàng)目辦，哈爾濱 150080；2.黑龍江省公路建設(shè)中心，哈爾濱 150080；3.黑龍江大學(xué)建筑工程學(xué)院，哈爾濱 150080）

0 引言

公路交通建設(shè)作為我國(guó)基礎(chǔ)民生的工程之一，與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著十分密切的聯(lián)系。隨著當(dāng)前城市化建設(shè)速度的不斷提升，公路交通建設(shè)的速度也在不斷加快，有效推動(dòng)了經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，成績(jī)斐然。并且混凝土箱梁橋由于其新型材料和創(chuàng)新設(shè)備以及新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得其結(jié)構(gòu)性能得到了大幅提升，具有較強(qiáng)的跨越能力，已成為橋梁的主要梁體形式。混凝土箱梁橋的建設(shè)在取得巨大成就的同時(shí)，也面臨著許多亟待解決的難題[1,2]。其中，對(duì)于混凝土箱梁溫度場(chǎng)和溫度作用效應(yīng)的研究受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的高度重視[3～5]。混凝土材料不同于鋼材，其導(dǎo)熱性能較差，并且混凝土箱梁橋會(huì)長(zhǎng)期暴露于露天環(huán)境中，在太陽(yáng)輻射、氣溫變化、風(fēng)速和氣壓等氣候環(huán)境因素作用下，混凝土箱梁內(nèi)部溫度分布呈現(xiàn)出非線性特征[6]，產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力和變形[7，8]。這種由溫度作用產(chǎn)生的應(yīng)力和變形進(jìn)一步造成了裂縫的開展和延伸，嚴(yán)重影響混凝土箱橋梁的安全性和耐久性。影響混凝土箱梁的因素較多，環(huán)境因素是不可忽略的因素之一[9]，因此環(huán)境因素對(duì)混凝土箱梁溫度梯度的制定具有重要意義。

環(huán)境因素對(duì)箱梁溫度場(chǎng)的影響較大，氣候環(huán)境因素主要包括太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、大氣溫度、箱內(nèi)溫度及風(fēng)速等。文中以某匝道橋-預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁橋?yàn)楣こ瘫尘埃诂F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)和有限元模型分析，分析在梁高和腹板板厚方向的溫度分布特點(diǎn)和變化規(guī)律，系統(tǒng)分析了環(huán)境因素對(duì)混凝土箱梁溫度效應(yīng)的影響，對(duì)類似橋梁的溫度應(yīng)力設(shè)計(jì)計(jì)算具有指導(dǎo)意義。

1 工程背景

項(xiàng)目溫度場(chǎng)的研究以某匝道橋?yàn)楣こ瘫尘埃瑯蛄嚎讖讲贾脼?×2500cm，上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)組合箱梁，橋梁全長(zhǎng)12777cm，交角90°，下部結(jié)構(gòu)采用肋板式橋臺(tái)，蓋梁柱式橋墩，基礎(chǔ)采用鉆孔樁基礎(chǔ)。橋面布置為75cm 護(hù)欄+750cm 行車道+75cm 護(hù)欄=900cm，橫向布置三片箱梁。橋梁立面、橫向、斷面布置如圖1 所示，其中跨中附近斷面詳細(xì)尺寸見圖1（c），頂板、底板和兩側(cè)腹板的厚度均為18cm。

圖1 橋型布置圖（單位：cm）

2 溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案

2.1 溫度測(cè)點(diǎn)布置

混凝土箱梁溫度場(chǎng)的變化突出的情況一般為箱梁的豎向和橫向溫差情況。箱梁豎向溫差主要考慮頂板位置的上緣和底板位置的下緣，箱梁橫向溫差考慮腹板內(nèi)側(cè)和外側(cè)。選取該匝道橋第5 跨作為試驗(yàn)跨，測(cè)試斷面距離4 號(hào)墩中心位置為10m，如圖1（a）所示，在測(cè)試斷面中選取日照強(qiáng)烈的一側(cè)邊梁作為試驗(yàn)梁，如圖1（c）所示。溫度測(cè)點(diǎn)布置如圖2 所示，其中1和2 測(cè)點(diǎn)布置在頂板位置，3、4 和5 測(cè)點(diǎn)布置在腹板中部，6 和7 測(cè)點(diǎn)布置在底板位置，箱梁豎向和橫向溫差的分布情況可以通過(guò)分析圖2 中靠近日照一側(cè)腹板的特征溫度測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)得到。

圖2 溫度特征點(diǎn)布置

2.2 溫度傳感器和測(cè)試設(shè)備

選取PT100 溫度探頭作為測(cè)溫元件，測(cè)試精度平均為0.16℃，最大不超過(guò)0.5℃，測(cè)試范圍覆蓋-40℃～120℃區(qū)間，如圖3（a）所示。采集設(shè)備Jinko7000 多路溫度記錄儀，可以同時(shí)記錄8～64 路的溫度數(shù)據(jù)，采集精度為±0.5℃，如圖3（b）所示。PT100 溫度探頭安裝如圖4 所示。

圖3 溫度傳感器和采集設(shè)備

圖4 PT100 溫度探頭安裝

3 有限元模型的建立

采用ABAQUS（2021）有限元軟件對(duì)5×2500cm 預(yù)制混凝土連續(xù)組合小箱梁橋?qū)崢蚪＃捎胹olid 單元建立連續(xù)組合小箱梁橋?qū)崢蚰Ｐ汀Ｊ紫仍贑AD 中繪出箱梁橫截面形狀，將該文件另存為DXF 文件，然后再將該截面文件導(dǎo)入ABAQUS 有限元軟件中，長(zhǎng)度設(shè)為12500cm，劃分網(wǎng)格時(shí)，將網(wǎng)格大小設(shè)置為5cm，采用C3D8R 單元類型。有限元模型示意圖見圖5。

圖5 有限元模型的建立（單位：cm）

4 結(jié)果與分析

4.1 太陽(yáng)輻射強(qiáng)度影響

夏季太陽(yáng)輻射強(qiáng)度大，冬季輻射強(qiáng)度小，秋季輻射強(qiáng)度居中，分別選取夏季、秋季和冬季的某天測(cè)試箱梁頂板、腹板和底板受到的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度。夏季6月10 日、秋季9 月13 日和冬季12 月16 日3d 不同時(shí)刻的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，如圖6 所示。

圖6 箱梁頂板、腹板和底板太陽(yáng)輻射強(qiáng)度

從圖6 中可以看出，在時(shí)間相同的情況下，箱梁頂板的輻射強(qiáng)度遠(yuǎn)大于腹板和底板的輻射強(qiáng)度，其中腹板和底板的輻射強(qiáng)度相差不大。在同一天中隨著日照的變化，頂板、腹板和底板均表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢(shì)，在中午12 時(shí)輻射強(qiáng)度達(dá)到最大值。不同季節(jié)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度不大，但頂板位置輻射強(qiáng)度差別最大，這是由于頂板可以受到太陽(yáng)直射，以12h 為例，夏季6月10 日、秋季9 月13 日和冬季12 月16 日的輻射強(qiáng)度分別為863.2、648.4 W/m2和253.2 W/m2，分別記錄這3d12h 測(cè)點(diǎn)1～7 溫度數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示。

圖7 輻射強(qiáng)度對(duì)箱梁溫度分布的影響

從圖6 和圖7 中可以看出，從夏季到冬季，輻射強(qiáng)度逐漸降低，對(duì)頂板溫度（測(cè)點(diǎn)1）和箱梁上緣溫差（測(cè)點(diǎn)1 和4 的差值）影響很大，均呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)，對(duì)腹板表面溫度（測(cè)點(diǎn)3）、底板溫度（測(cè)點(diǎn)7）、橫向溫差（測(cè)點(diǎn)3 和4 的差值）、下緣溫差（測(cè)點(diǎn)6 和7的差值）影響較小。

4.2 大氣溫度影響

大氣溫度的影響主要包括平均溫度和日較差，但平均溫度對(duì)箱梁頂板、腹板和底板的溫差較小，主要需要考慮日較差的影響。取平均溫度相同，日較差分別23、13℃和3℃的3 種工況進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖8 所示。從圖8 中可以看出，大氣溫度對(duì)箱梁外表面溫度（測(cè)點(diǎn)1、3 和7）影響較大，對(duì)腹板中部（測(cè)點(diǎn)4）、箱內(nèi)表面（測(cè)點(diǎn)5）溫度基本沒有影響，對(duì)箱梁豎向溫差及橫向溫差影響主要是箱梁外表面溫度引起的。

圖8 大氣溫度對(duì)箱梁溫度分布的影響

4.3 箱內(nèi)溫度影響

混凝土箱梁溫度場(chǎng)的影響與箱內(nèi)溫度有一定的關(guān)系，對(duì)以下4 種工況進(jìn)行考慮：

工況1：箱內(nèi)溫度隨時(shí)間變化，取箱內(nèi)實(shí)測(cè)溫度作為分析依據(jù)，如圖9 所示，溫度平均值約為24℃，波動(dòng)值約為6℃。

這種模式適用于后方陸域?qū)挸ㄇ揖哂幸欢ㄒ?guī)模的港口或碼頭群。1997年寧波港利用世行增、貸款建成了環(huán)保專用碼頭、環(huán)保船、船舶固體廢棄物處理廠和油污水處理廠等設(shè)備設(shè)施。此外寧波煉油廠碼頭配備了儲(chǔ)罐，化學(xué)品洗艙廢水由罐車轉(zhuǎn)運(yùn)至生產(chǎn)廠區(qū)處置，其年接收能力按罐車轉(zhuǎn)運(yùn)能力估算為7300t。

圖9 箱內(nèi)實(shí)測(cè)溫度

工況2：假設(shè)箱內(nèi)溫度與時(shí)間無(wú)關(guān)，不隨時(shí)間變化，箱內(nèi)溫度假定為24℃。

工況3：假設(shè)箱內(nèi)溫度與時(shí)間無(wú)關(guān)，不隨時(shí)間變化，箱內(nèi)溫度假定為18℃。

工況4：假設(shè)箱內(nèi)溫度與時(shí)間無(wú)關(guān)，不隨時(shí)間變化，箱內(nèi)溫度假定為30℃。

4 種工況箱梁各測(cè)點(diǎn)的溫度結(jié)果如圖10 所示。從圖10 中可以看出，箱內(nèi)溫度只對(duì)箱梁內(nèi)表面溫度（測(cè)點(diǎn)5）有較大影響，對(duì)其他測(cè)點(diǎn)的溫度基本沒有影響，在分析計(jì)算時(shí)可以不考慮時(shí)間的影響，箱內(nèi)溫度簡(jiǎn)化為平均溫度輸入。

圖10 箱內(nèi)溫度對(duì)箱梁溫度分布的影響

4.4 風(fēng)速影響

風(fēng)速的作用對(duì)混凝土箱梁與空氣兩者之間的綜合換熱系數(shù)有一定的影響；具體表現(xiàn)在，綜合換熱系數(shù)會(huì)隨著風(fēng)速的變化而發(fā)生變化，從而風(fēng)速對(duì)混凝土箱梁的溫度分布產(chǎn)生影響。對(duì)于同一個(gè)箱梁，不同位置處風(fēng)速也有較大差別，尤其是箱梁頂板、底板和腹板3個(gè)位置，考慮以下3 種工況進(jìn)行分析見表1。

表1 不同風(fēng)速作用各位置處綜合換熱系數(shù)

3 種工況箱梁各測(cè)點(diǎn)的溫度結(jié)果如圖11 所示。從圖11 中可以看出，風(fēng)速對(duì)箱梁外表面溫度有輕微影響，但影響很小，對(duì)內(nèi)表面溫度基本沒有影響。

圖11 風(fēng)速對(duì)箱梁溫度分布的影響

5 結(jié)語(yǔ)

文中以某座實(shí)際橋梁為工程背景，基于溫度測(cè)試和有限元模型，系統(tǒng)分析了環(huán)境因素對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁橋溫度分布的影響，可以得到如下結(jié)論：

（1）從夏季到冬季，輻射強(qiáng)度逐漸降低，對(duì)頂板溫度和箱梁上緣溫差影響很大，均呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)，對(duì)腹板表面溫度、底板溫度、橫向溫差和下緣溫差影響較小。

（2）大氣溫度對(duì)箱梁外表面溫度影響較大，對(duì)腹板中部、箱內(nèi)表面溫度基本沒有影響，對(duì)箱梁豎向溫差及橫向溫差影響主要是箱梁外表面溫度引起的。

（3）箱內(nèi)溫度只對(duì)箱梁內(nèi)表面溫度有較大影響，對(duì)其他測(cè)點(diǎn)的溫度基本沒有影響，在分析計(jì)算時(shí)可以將箱內(nèi)溫度簡(jiǎn)化為平均溫度。

（4）風(fēng)速對(duì)箱梁外表面溫度有輕微影響，但影響很小，對(duì)內(nèi)表面溫度基本沒有影響。

在實(shí)際橋梁工程建設(shè)當(dāng)中，應(yīng)著重考慮太陽(yáng)輻射對(duì)箱梁橋的溫度效應(yīng)，在這種溫度效應(yīng)作用下箱梁頂板溫度與腹板和底板溫度的溫差比較大，很有可能引起箱梁腹板和底板的開裂，對(duì)橋梁的安全性、適用性和耐久性造成影響，這也會(huì)導(dǎo)致一系列橋梁病害問(wèn)題的發(fā)生。