大跨度混凝土箱梁桥温度效应分析

摘要：置于自然环境中的混凝土桥梁，会受到温度作用的影响。在各种温度效应中，以日照温度效应对大跨度桥梁结构的影响最为重大，特别是对于处在长悬臂施工阶段的大跨度混凝土箱梁。由于受到日照温度场的作用，随着施工阶段的进行，桥梁结构的线形、内力和截面应力都会发生变化。本文结合现场温度场试验，通过建立有限元模型，针对大跨度混凝土连续刚构桥进行了施工阶段的日照温度效应分析。理论计算结果与实测结果较为吻合，结果显示，在长悬臂施工阶段，日照温度作用对结构挠度和应力的影响很大，必须考虑温度效应对结构的不利影响。

关键词：温度效应；悬臂施工；日照；混凝土箱梁

0 引言

置于自然环境中的混凝土桥梁，经受各种自然环境变化的影响，其表面与内部各点的温度随时随刻都在发生变化。就混凝土结构来说，由于自然环境变化所产生的温度荷载，一般可以分为以下三种类型:一、日照温差荷载;二、骤然降温温度荷载;三、年温度荷载。日照温度变化主要是太阳辐射作用而致，其次是气温变化影响，还有风速的影响。近几十年来国内外的混凝土工程结构的实践工作表明，短时急剧变化的太阳辐射引起的的结构物的温度变化，可以产生相当大的温度效应。对于尚处在施工阶段的桥梁，由日照引起的温度作用对大跨度混凝土桥梁结构的挠度和应力的影响是不可忽视的。

1 混凝土箱梁桥温度场与温度效应的分析理论

1.1 混凝土结构的日照温度效应

置于自然环境中的混凝土结构，经受各种自然环境条件变化的影响，其表面与内部个点温度随时都在变化。它与所处地理位置、太阳辐射条件、结构物的方位、朝向以及所处季节、太阳辐射强度、气温变化、云、雾、雨、雪等天气状况有关。由于在桥梁的施工阶段，对施工控制最为重要的是由日照温度作用所引起的桥梁标高和受力的变化，而年温变化作用和骤然降温作用对施工质量控制的影响均比较小，可以忽略。因此本文主要研究日照温度变化的影响。

1.2 日照温度变化影响特点

日照温度效应包括两个方面：一是对桥梁结构线形的影响；二是对桥梁结构内力的影响。

对于处在施工阶段的大跨度混凝土桥梁来说，日照温度作用对线形的影响很显著。由于日照温度荷载引起的主梁挠度的变化量在大跨度连续刚构桥中最大可以达到五公分，而在大跨度斜拉桥的长悬臂阶段这一影响量甚至可以达到十几公分。

混凝土结构的温差应力，实际上是一种约束应力。由于混凝土结构的温度荷载沿壁板厚度方向的非线性分布，故截面上温度应力分布具有明显的非线性特征；混凝土结构的温度分布是瞬时变化的，所以在结构中的温度应力也是瞬时变化的，只是具有明显的时间滞后性[7]。

1.3 箱梁温差应力分析

1）箱梁的温差荷载

在日照升温、降温因素作用下，箱梁沿桥长方向的温度分布，根据实测资料分析可认为是一致的，竖向沿粱高与横向沿梁宽的温差分布可简化为下式所示：

（1-3）

式中：―箱梁顶、底的温差，一般取值约为15℃，仅计算竖向温差时取约20℃；

―箱梁两外侧腹板的温差，一般取值约为15℃；

、―指数系数（一般取7，仅考虑竖向温差时取5，、以米计）。

双室与多室箱梁的温差荷载分布规律与单室箱梁基本上是一致的，根据实测资料比较分析，可用单室箱梁的温差荷载图式来分析双室与多室箱梁的温差荷载状况，唯中腹板的温度变化较小，仅在竖向温差分布上略有变化。双室与多室箱梁横向的温差荷载分布规律与数值，均与单室箱梁雷同，这也是由对实测温差荷载资料进行分析后得出的结论。

2）箱梁的温差应力

在由温差荷载引起应力的计算中，一般采用以下假定：沿梁长方向的温度分布是均匀的，并略去断面局部变化引起的梁体温差分布的微小差别；假定混凝土材料是均质、各向同性的，在未发生裂缝之前，符合弹性变形规律；平截面变形假定仍然适用；按单向温差荷载计算温差应力，然后叠加组合多向温差荷载状态下的温差应力[8]。

2 连续刚构桥温度场试验与分析

某特大连续刚构桥（146+256+146m）,主桥箱梁采用C60混凝土，半幅桥宽19.85m，单箱双室断面，其中箱底宽12.85m，两侧悬臂翼缘板宽3.5m。大桥立面布置见图2。

本桥采用平衡悬臂浇筑施工法。大桥共2个主墩，每个主墩有31对梁段。由于本桥跨度比较大，施工时悬臂较长，所以温度的影响较大。为了研究温度效应，在本桥施工到中悬臂、中长悬臂和长悬臂阶段，也就是施工到18#块、25#块和31#块时，分别对本桥进行了24小时连续温度场试验。

为了更好的考虑粱高对对温度分布的影响，分别在18#块、25#块和31#块布置温度传感器，一共布置三次，本桥处在中悬臂、中长悬臂和长悬臂施工阶段时均进行了温度场试验。

在施工阶段，为了对大桥的温度场效应进行研究，在大桥T构施工到18#块、25#块和31#块时分别进行了24小时连续的温度场和温度效应测试。为了更好的考虑粱高对对温度分布的影响，分别在18#块和25#块布置温度传感器，一共布置两次。温度传感器的布置如图3所示，两个截面的布置完全一样。由于顶板的温度变化较剧烈，所以根据需要在顶板竖向布置了 4个传感器。

在进行温度场试验时，除了测试温度分布情况，还测试了大桥主梁的挠度和应力。测量挠度时，在T构的两端的悬臂端头的5块顶板的腹板中间位置处都事先预埋好钢筋头，并露出混凝土表面2至3公分，用红色油漆做好标记。测量应力时，在大桥主梁控制截面预先埋置了钢筋应变计。

虽然温度场对桥梁结构的影响是三维的，但根据以前的学者所作的大量的研究成果，最主要的还是主梁沿粱高的温度梯度的影响，所以本节主要研究了主梁东腹板、西腹板和中间腹板沿高度方向的温度分布，也对箱梁内外的环境温度进行了研究。

因太阳的东升西落，所以箱梁东、西腹板受日照温度场的影响是不同的，中腹板也只有顶面受到太阳的直接照射，所以三个腹板的竖向温度分布是不相同的。研究所需的沿腹板高度的温度测点分别布置在离箱梁顶面0cm、28cm、100cm、280cm、490cm和520cm处。在试验中测量了三个腹板高度方向的温度数据，由于篇幅关系，这里只列出中腹板竖向温度分布，见表1。

从三个腹板的温度数据可以看出三点规律。一、从上午10:00到下午6:00，腹板顶面和底面的温度变化较为剧烈，其它位置的温度变化较缓慢。二、在白天，腹板竖向温度梯度较大；在夜晚，腹板竖向温度梯度较小。三、腹板高度方向最大温度梯度是6.3℃，最小是0.5℃。

3 温度效应结果与分析

为了对大跨度连续刚构桥在施工阶段的日照温度效应进行研究，用有限元软件进行温度效应的计算是必要的。所以本文采用Midas/Civil建立桥梁有限元模型，并进行温度效应分析。本文主要对该桥在悬臂施工阶段的温度效应进行研究，即研究的是单T构的双悬臂，在考虑结构实际的恒载、预应力荷载、挂篮等施工荷载、混凝土收缩徐变和边界条件的基础上，再结合试验测量出的温度梯度对结构施加温度荷载。利用Midas/Civil的激活和钝化功能，将梁截面温度梯度作为一个荷载组，将每间隔2个小时测得的温度梯度作为作为一个荷载工况，建立施工阶段，考虑温度梯度效应。

3.1 挠度测试与分析

在24小时连续温度场试验期间，对该桥的主梁的挠度进行了实测值与计算值的对比分析，如图5所示。

从大桥主梁挠度的计算值与实测值的对比分析可以看出，在下午16：00时刻，挠度的计算值与实测值均达到最大值，实测的挠度最大值达到-4.7公分，计算的挠度最大值也达到-3.8公分，计算值与实测值比较接近。在14：00时环境温度达到最大值，而挠度在16:00时达到最大值。由于试验当日的气温很高，大气温差达到了16.6℃，主梁高度方向的温度梯度也达到了6.3℃，而且主梁的粱高很高，所以温度自应力很大，顶板的最大值达到了-4.13MP。在12:00到18:00时段，温度自应力均在2MP以上。

4 结论

分析上述实验结果与有限元计算结果，在最大单悬臂长度达到127m时，在主梁竖向温度梯度达到6.3℃的情况下，悬臂端头的挠度达到了-4.7公分，而在凌晨2:00到早上8:00时段，挠度的变化量在1公分内。因此，在中长悬臂的施工立模时，一定要考虑温度的影响。分析该桥主梁应力的实测值与理论值可以得出三点规律。一）在连续24小时内，由日照温度场引起的主梁顶板和底板的温度自应力均为压应力。二）顶板由于直接受太阳照射，温度应力在白天变化较剧烈；底板由于始终不受太阳照射，温度改变较缓慢，温度应力也变化缓慢。三）主梁温度自应力的实测值与计算值较接近，说明计算模型和计算方法是可靠的。

鉴于日照升温对大跨度混凝土连续箱梁桥挠度和应力的剧烈影响，在施工到中长悬臂时，施工立模和施工测量务必在凌晨0:00至清晨8:00时段内完成。为了较好的考虑温度效应，可以在不同的施工阶段，进行温度效应的实测，然后以实测值为依据来考虑施工立模和测量时的温度效应。因此对于尚处在施工阶段的桥梁，由日照引起的温度作用对大跨度混凝土桥梁结构的挠度和应力的影响是不可忽视的，在施工过程中必须加以考量。

参考文献：

1 彭友松.混凝土日照温度效应理论及应用研究[D].成都：西南交通大学博士学位论文，2007

2 卢文良,季文玉,杜进生.大型混凝土箱梁温度场及温度效应研究[J].铁路客运专线建设技术交流会论文集.2005：260-265

3 Fritz Leonhardt, Prestressed Concrete Design and Construction(Second Edition)[M]. Published by Wilhelm Ernst&Sohn,1964

4 M.J.Nigel Priestly, Design of Concrete Bridge for Temperature Gradients[J]. A.C.I,Vol75,No.5,1978

5 Branson DE.Deformation of Concrete Structure[M]. New York:McGraw-HILL,1997

6 C.M.Gangoso, Stresses in Non-prestressed Reinforcements of Prestressed Concrete Beam[M]. M.E.Thesis,SEATO Graguate School of Engneering,Bangkok,Tailand,1966

7 Zuk.W., Simplified design check of thermal stresses in composite highway bridge[J]. Highway Reasearch Record,1965,103(12):1113~1125

8 Emanuel J.K., Lewis D.B., Abutment-thermal interaction of composite bridge[J]. Journal of the Structural Dvision ,ASCE,1981,107(11):2111-2126

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。