环境温度对混凝土箱梁内部温度影响研究

摘要：通过在混凝土箱梁内部布设温度传感器，建立了现场温度测试系统，实测了混凝土箱梁内部温度及环境温度场。通过对实测数据进行分析，得出了混凝土箱梁内部温度随环境温度变化的规律。研究发现，混凝土箱梁顶板最高峰值滞后于环境温度最高峰值2?h，且随着距梁顶板距离增加，滞后时间略有延长。顶板内外缘温差明显，腹板、底板内外温差很小。

关键词：混凝土箱梁?环境温度?混凝土温度

中图分类号：U448 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）01（b）-000-02

温度场的确定是解决桥梁温度效应的关键。国内外学者己进行相关的试验观测和理论研究。德国的EKehlbec[1]分析了辐射气温、外界气温、结构表面温度的影响和各种计算常数的确定，求得了以矩阵形式表示的温度函数。英国的D．A．Stephenson[2]以表面温度波幅为依据，用指数函数来分析混凝土结构沿壁板厚度方向的温度分布。刘兴法[3]论述了预应力混凝土箱梁的温度分布与温度应力问题，建立了预应力混凝土箱梁的控制温度荷载与相应的温度应力计算方法。葛耀君等[4]分析了环境温度场与结构温度场的关系，建立了混凝土斜拉桥结构温度场计算的二维差分方法，提出了实用计算方法。程海根等[5]考虑温度场随竖向和横向位置的变化，发现温度梯度将引起横向竖向极大的二次应力。目前我国铁路规范[6]中箱梁温差的计算方法是根据以往箱梁的相关数据并结合国内外相关资料制定的，沿梁体宽度和高度两个方向温度分布为指数曲线。箱梁的环境温度分布与所处地理位置、气温、大气透明度、日照强度以及桥梁截面尺寸等有关[7]。采取悬臂浇筑施工方案的连续梁桥，施工期间温度场处在不断的变化之中。研究混凝土箱梁温度随环境温度的变化规律，分析桥位处梁体温度场与外界温度变化的相关性，获得温度梯度实测数据，可进一步分析主梁的温度效应[8]。该文通过埋设温度传感器，建立施工现场温度测试系统，根据所测梁体温度并结合规范相关规定分析混凝土箱梁体温度场与外界温度变化的相关性，对分析温度作用对桥梁受力状态影响有参考作用。

1 混凝土连续箱梁的温度场现场实测

1.1 依托工程简介

阜六铁路颍河特大桥位于安徽阜阳袁寨镇东南7?km处，属于阜六铁路控制性工程之一，桥梁法线与河流中心线夹角15?°，主跨采用（70+120+70）m（图1）变截面连续梁跨越颍河主航道，主跨连续箱梁全长261.7?m，设计桥面总宽度为13.5?m，箱梁采用三向预应力体系，梁体采用C55耐久性混凝土。全桥共分为67个梁段，悬臂浇筑法施工。连续箱梁采用单箱单室直腹板、变高度、变截面结构形式。箱梁梁高沿纵向按二次抛物线变化，中支点处梁高9.5?m，边支点及跨中梁高5.5?m；除梁端附近外，箱梁顶板厚度均为45?cm；腹板厚度自跨中向中支点方向、由60-80-100?cm，按折线变化；底板由跨中的40?cm按直线变化至中支点根部120?cm。本次温度传感器布设截面如图2所示。

1.2 现场温度测试方案

现场温度场测试传感器埋设位置见表1及图3。下文“内、外缘温度及温差”指上述传感器位置混凝土的温度或相应温差。该桥位于安徽省阜阳市境内，季节变化明显。依该文研究目的，该文选取天气晴朗、太阳辐射强烈和阴雨天两种典型天气，采集数据分析混凝土箱梁温度场随环境温度的变化规律。温度数据采用24?h不间断监测的方法，半小时记录一次数据，环境温度和箱梁内部温度均由温度元件测试出。

2 现场实测温度数据及分析

现场实测获得了大量数据，限于篇幅并根据该文研究的需要，分别选择了晴天和阴雨天24?h温度数据进行了分析，分别整理了箱梁顶板、腹板、底板的温度分布变化图。

2.1 晴天条件下温度分析

晴天条件下箱梁混凝土内部温度随环境温度变化的情况如图4～图7。如图4所示，晴天（2012年7月6、7日）时，箱外、箱内环境温度均在下午14时左右达到最高峰值，混凝土箱梁顶板外缘（1号点）温度达到最大值时16时左右，滞后环境温度峰值2～3?h，且顶板中间点及外缘（2、3号点）滞后时间长于顶板外缘（1号点）。从图4温度曲线的变化趋势看出，顶板沿厚度方向存在明显的温度梯度，且在顶板外缘温度最高时，竖向温度梯度最大。由图5可知，对于腹板位置，随着温度的升高，混凝土箱梁到达最大值时间在下午19时左右，比环境温度达到最高峰值时间滞后5?h左右；升温、降温过程中，腹板外缘（6号点）温度变化幅度大于腹板内缘（5号点），说明梁体腹板沿横向存在温度梯度。腹板与顶板交界处梗肋处测点温度变化较为平稳，如图6（2012年5月18日）所示。箱梁底板的内缘、外缘混凝土温度变化始终较小，在1?℃以内，如图7（2012年7月13、14日）所示。

在晴天条件下，气温升温过程中环境温度峰值高于梁体温度；降温过程中，梁体温度均高于环境温度场，体现了混凝土箱梁吸收热量，但释放比较缓慢，混凝土温度惰性比较明显。简言之，夜间混凝土箱梁温度高于环境温度，混凝土箱梁温度变化滞后于环境温度变化。

2.2 阴雨天条件下温度分析

阴雨天（2012年7月13日）测点温度变化如图8～图10所示。

由图8～图10可知，阴雨天箱内温度始终高于箱外温度。箱外、箱内环境温度均在12时左右达到最高峰值，混凝土箱梁顶板温度达到最大值时16时左右，滞后环境温度峰值2～3?h，且顶板2号点与3号点滞后时间长于1号点；顶板混凝土温度始终高于环境温度，随着环境温度的上升和下降，顶板温度变化趋势与之一致且较为明显；在升温和降温过程中，腹板和底板变化趋势较为平缓。

2.3 环境及混凝土内部温差分析

环境温差与箱梁内部温差分析如图11～图13所示。

混凝土内部温度实测表明顶板沿竖向存在温度梯度，混凝土箱梁顶板内外测点一天内不同时刻的温差情况如图11所示，1号、2号测点温差最大值和1号、3号测点温差最大值基本相同；2号、3号测点的温差很小，体现了混凝土箱梁温度沿厚度分布的非线性特征。由图12可知，梁体腹板沿横向存在温度梯度，但并不明显。由图13可知，晴天条件下混凝土箱梁内外环境温差最高峰值出现12时左右；顶板内、外缘温差最高峰值出现在14时左右；腹板内、外缘温差最高峰值出现在15时左右，稍滞后于顶板；底板的内外缘温差最大值出现在18时左右。

3 结语

通过对环境温度及混凝土箱梁内部温度的实测与分析，得出以下结论：1）混凝土箱梁各处温度变化均滞后于环境温度场。晴天时顶板最高温度约滞后环境最高温度约2?h，腹板温度峰值滞后于顶板顶部温度峰值滞后时间。底板混凝土温度随环境温度的变化不大。2）箱梁各板件沿厚度方向存在温度梯度。晴天条件下，顶板、腹板、底板内、外侧测点的温差不同，顶板内外温差最高，底板内外温差最低。3）该文混凝土温度测点均在混凝土表面以内10?cm处，混凝土内外表面的温差以及与环境温度的关系还有待进一步研究。

参考文献

[1] F.凯尔别克.太阳辐射对桥梁结构的影响[M].刘兴法,译.北京：中国铁道出版社，1981.

[2] 刘兴法.混凝土结构的温度应力分析[M].北京：人民交通出版社，1991.

[3] 刘兴法.预应力混凝土箱梁温度应力计算方法[J].土木工程学报，1986，19（1）：44-54.

[4] 葛耀君，翟东.混凝土斜拉桥温度场的试验研究[J].中国公路学报，1996，9（2）：76-83.

[5] 程海根，王美英.大气环境下混凝土箱梁横截面温度场试验研究[J].桥隧工程,2012（4）：142-146.

[6] 中华人民共和国铁道部.铁路桥涵设计基本规范（TB1002.1-2005）[M].北京：中国铁道出版社，2005.

[7] 刘龄嘉.桥梁工程[M].北京：人民交通出版社，2007.

[8] 张洪雨.温度作用对悬臂浇筑连续梁施工期间受力性能及线性控制的影响研究[D].北京交通大学，2011.