气温变化对混凝土桥梁结构的影响分析

第４０卷第３１期　２　０　１　４年１　１月　ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨＩ　Ｉ．ＥＣＴＵＲＥ　山　西　建　筑　Ｖｏ１．４０　Ｎｏ．３１　Ｎｏｖ．　２０１４　・ｌ８７・　文章编号：１００９—６８２５（２０１４　Ｊ３１—０１８７—０２　气温变化对混凝土桥梁结构的影响分析　刘子英　（东北林业大学，黑龙江哈尔滨１５００４０）　摘要：对混凝土桥梁结构受气温变化影响的类型进行了分析，从气温年变化、日变化和寒潮降温三方面进行了论述，提出了控制　气温变化对混凝土桥梁结构影响的建议，为类似的研究提供了参考依据。　关键词：气温变化，混凝土桥梁结构，裂缝，耐久性　中图分类号ｉＵ４４１　随着桥梁结构逐步向大跨、高耸方向发展，无论是大体积混　凝土预制构件还是整体现浇混凝士构件，在桥梁上的应用均已非　常普遍。混凝土桥梁在自然环境中经受各种气象条件的影响，尤　其是混凝土构件的表面或内部温度随时变化，而对于大体积混凝　土，温度变化不但可能引起裂缝，而且对结构的应力状态也有重　要影响，有时温度应力在数值上可能超过其他外荷载引起的应　力。气温的变化是引起混凝土裂缝的重要原因之一，是计算温度　应力及制定温度控制措施的依据　０ｊ。因此研究气温变化对混凝　土桥梁结构的影响至关重要。　１　对混凝土桥梁产生影响的气温变化类型　对于混凝土桥梁结构来说，气温变化引起的温度应力主要可　分为三种类型：气温年变化、气温日变化和寒潮降温引起的结构　温度变化。其特点如下。　１．１　气温年变化　气温年变化引起桥梁结构的温度变化是长期而缓慢的，它使　桥梁结构整体发生均匀的温度变化，所以在考虑气温年变化对结　构物的影响时均以平均温度为依据，一般以最高与最低月平均温　度的变化值作为年温变化幅度。温度数据可在中国气象科学数　据共享服务网上查询获得。　由气温年变产生的温度应力在全桥均有分布，作用时间长，　分布较为均匀，使桥梁结构产生较大的整体位移…。尤其是在寒　冷的北方，由于冬季气温很低，气温年变化是引起混凝土构件表　面裂缝甚至深层裂缝的重要原因　Ｊ。　１．２　气温日变化　从工程应用的角度考虑，当桥梁的位置确定后，影响结构Ｅｔ　照温度变化的主要因素是太阳辐射程度、气温变化和风速，为了　寻求设计温度荷载，风速这个因素也可以忽略，因为当混凝土结　构表面温度达到最大时，风速几乎接近于零。这样从设计控制温　度荷载考虑，影响桥梁结构表面温度的因素实际上可简化为只有　太阳辐射和气温变化两个因素。　气温日变化主要是由太阳辐射引起的，随着太阳辐射强度、　入射方位角等因素的变化，混凝土温度梯度和温度应力也呈现出　瞬变特征，且在桥梁结构上分布很不均匀，主要表现在：受阳光直　射的范围内温度变化相对明显，由于混凝土是热的不良导体，导　致在背光一侧温度变化较慢，从而使得局部应力较大。因此可以　用实测资料的数理统计分析方法，求得的表面温度计算式和沿壁　板厚度的温差曲线的计算式来确定桥梁的温度荷载。　１．３寒潮降温　不论在北方还是南方，寒潮都是引起混凝土表面裂缝的重要　收稿日期：２０１４—０８－２４　作者简介：刘子英（１９８０一），女，讲师，在读博士　文献标识码ｉＡ　原因　。在一定强度的冷空气流的冷却作用下，桥梁整体呈现短　时的温度变化，混凝土桥梁整体呈现表面温度迅速降低而在结构　中形成内高外低的温度分布，使混凝土结构的外表面产生较大拉　应力。相比之下，混凝土桥梁结构的表面和内部温度变化比日照　时的结构温度变化要简单一些。寒潮降温的时间过程约为２０　ｈ，　这种降温温度荷载较之气温日变化产生的温度荷载变化缓慢，但　作用时间长。同时，寒潮降温作用引起的桥梁结构降温速度（南　方地区平均降温速度为１℃／ｈ，最大降温速度为４　ｃｃ／ｈ），比日照　升温速度（１０℃／ｈ）要小。寒潮降温温度变化，一般只需考虑气　温变化和风速这两个因素，可以忽略日辐射影响。　２需要开展研究的科学问题　２．１　结构　温度变化的热胀冷缩会导致温度应力的产生，由于各材料界　面的温差变形系数不同，使得钢筋与混凝土界面、砂石与水泥浆　界面等产生不同的温差变形，导致混凝土产生裂缝。温度裂缝的　产生不但影响到结构的承载力和设计效果，而且对结构的安全性　和耐久性也有重大影响。因此需要研究桥梁结构主要构件的温　度梯度和温度效应，且由于我国幅员辽阔，气候差异大，应按照建　筑气候区划来分别总结其规律。桥梁结构的动力性能亦受气温　变化的影响，如刚度变化、极限荷载、有温度裂缝产生的结构阻尼　变化、冲击作用变化等。　温度年变化、寒潮的影响也会带来桥梁结构的损伤累积，进　而影响结构的长期性能，包括混凝土徐变增大、耐久性退化等对　混凝土桥梁结构的承载力和变形的影响，因此应综合考虑荷载变　化以及材料短期或长期的性能变化。　２．２材料　温度变化对材料的力学性能有影响，通常温度升高导致材料　强度、弹性模量降低，变形加大。当大气温度达到３２　ｑｃ时，混凝　土表面温度可达６３℃；当温度达到４ｏ℃～４７℃时，混凝土表面　温度则高达８０℃～９０℃　Ｊ。这种极端气温虽不会经常出现，但　在环境持续高温或低温，或高低温快速交替作用下，混凝土力学　性能将有较大不同　Ｊ。这种材料性能的变化对结构安全性和耐　久性都会产生影响，因此，需要研究桥梁使用环境的温度变化范　围及短期内温度变化幅度，研究材料强度和弹性模量的变化，以　及骤然降温对混凝土材料的力学性能和耐久性问题的影响。　３控制气温变化对混凝土桥梁结构影响的建议　建议确立桥梁结构在全寿命周期内抵抗气温变化的设计理　念。针对气温变化对混凝土桥梁结构的构造要求进行研究，考虑　混凝土铺装层厚度、铺装方式、铺装材料等的具体要求；创新建筑　第４０卷第３１期　・１８８・　２　０　１　４年１　１月　山　西　建　筑　ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ　Ｖｏ１．４０　Ｎｏ．３１　ＮＯＶ．　２０１４　文章编号：１００９—６８２５（２０１４）３１－０１８８—０３　曲线桥梁中墩梁固结的若干问题探讨　邓志刚　张定马　（武汉中咨路桥设计研究院有限公司，湖北武汉４３００００）　摘要：以实际工程为依托，探讨了曲线桥梁在墩梁固结时，采用不同的墩柱直径，在各种荷载组合条件下，主梁的支承反力、纵向　扭矩值的变化规律，并提出了一些合理化的设计建议。　关键词：曲线桥梁，墩梁固结，直径，规律　中图分类号：Ｕ４４３．２２　文献标识码：Ａ　随着现代化建设的发展，我国交通系统的压力越来越大。为　还会出现横向弯矩；３）由于弯扭耦合作用，弯桥的变形比同跨径　了保证交通顺畅，桥梁的走向必须服从线路的整体走向，造成曲　的直桥要大，外边缘的挠度大于内边缘的，而且半径越小，桥越　宽，这一趋势越明显。同时在梁端可能出现翘曲，当梁端横桥向　线桥梁在高速公路互通匝道或城市立交中的应用越来越普遍。　梁体有向弯道外侧“爬移”的趋势；４）主梁的扭转传　下部支承的结构形式会影响结构及墩柱内力的大小及支座　约束较弱时，会造成端部各支座横向受力分布严重不均，甚至　内力的分布，通常我们会采用墩梁固结的结构形式来改善桥梁的　递到梁端部时，　受力状况。在不同的墩柱直径情况下，主梁的支承反力、纵向扭　使支座出现负反力。汽车荷载的偏心布置及其行驶时的离心力，　矩值不同。本文针对这一问题，采用ＭＩＤＡＳ程序对桥宽８．３　ｍ、　也会造成曲线梁桥向外偏转并增加主梁扭矩和扭转变形。跨径组合为（２５＋３０＋３０＋２５）ｍ的现浇预应力混凝土连续箱梁　２曲线桥支承设计　进行研究。在墩梁固结时，进行不同直径的空间模拟计算，总结　２．１　工程概况　出一定的规律，并提出了一些设计思路。　某匝道桥为（２５＋３０＋３Ｏ＋２５）ｍ四跨现浇预应力混凝土连　１　曲线桥的结构受力特点　续梁桥，桥宽８．３　ｍ，单箱单室截面，梁高１．６　ｍ，桥梁中线半径为　５０　ｍ。边支承为板式橡胶支座，内外侧各１个，柱式桥墩，中墩为　曲线梁桥由于主梁的平面弯曲使得下部结构墩柱的支承点　１８　ｍ的独柱，墩梁固结。桥梁横断面、模型分别见图１，图２。　不在同一条直线上，构成了其独有的受力特点：１）梁体的弯扭耦　Ｄ＝１．合作用，在主梁自重和预应力钢束作用下，同时产生弯矩和扭矩，　２．２设计思路　本计算在跨径、桥宽、断面形式及材料等其他条件相同情况　并相互影响，使梁处于弯扭耦合状态；２）弯桥在外荷载的作用下，　材料种类，如考虑将混凝土表面吸收的内能转变为电能为桥梁提　场的主要影响因素，应在建筑气候分区的思想指导下，不断改进　供夜间照明，或通过混掺入外加剂或在混凝土表面涂层的方法减　各项规范对温度梯度和温度荷载的计算法。寒潮降温多引起混　建议采取增加铺装层厚　小混凝土的吸热系数等。在建筑气候分区的思想基础上，完善各　凝土构件的表面裂缝。针对气温变化，提高建筑材料性能、优化温度荷载计算方法等方法来逐步解　类规范中关于混凝土温度梯度和温度荷载的计算方法，为桥梁设　度、　计提供科学依据。在既有桥梁加固设计和安全性评价方面，建议　决温度变化给混凝土桥梁结构带来的影响。　考虑气温变化作用下既有桥梁的剩余承载力，合理评估桥梁的使　参考文献：［１］　刘兴法．混凝土结构的温度应力分析［Ｍ］．北京：人民交通　用状态和剩余寿命，进一步完善桥梁检测和监测制度。同时，由　于桥梁结构形式不一，不断产生的异形结构增加了混凝土温度梯　度和温度效应的计算难度，目前对于异形结构的温度设计尚欠缺　经验。　出版社．１９９１．　［２］　朱伯芳．大体积混凝土温度应力与温度控制［Ｍ］．北京：中　国电力出版社．１９９９．　［３］　聂玉东．寒区大跨径混凝土箱梁桥温度场及温度效应分析　［Ｄ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，２０１３．　［Ｊ］．土木工程学报，２００９（３）：７６－７９．　路．２０００（１）：５７．５８．　４结语　型包括气温年变化、日变化和寒潮降温等，气温年变化对混凝土　裂缝的重要原因。气温日变化具有瞬态特点，是混凝土构件温度　ＬＩＵ　Ｚｉ－ｙｉｎｇ　气温变化对混凝土桥梁结构影响很大。常见的气温变化类　［４］　王元丰，韩　冰．极端气候事件对桥梁安全性的影响分析　　张国学，刘晓航．温度对混凝土材料性能的影响［Ｊ］．华东公　桥梁结构的影响长期缓慢，在北方是导致混凝土表面裂缝和深层　［５］Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｈａｎｇｅ　ｏｎ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｂｒｉｄｇｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　（Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ　Ｆｏｒｅｓｔｒｙ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ　１５００４０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｔｙｐｅｓ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｈａｎｇｅ　ｏｎ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｂｒｉｄｇｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ａｎｎｕ￣ａｎｄ　ｄａｉｌｙ　ｃｈａｎｇｅ　ｉｎ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｃｏｌｄ　ｗａｖｅ　ｉｓ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ　ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓ　ｏｎ　ｈｏｗ　ｔｏ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｈａｎｇｅ　ｏｎ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｂｒｉｄｇｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｒｅ　ｍａｄｅ，ｐｒｏｖｉｄｅ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ　ｆｏｒ　ｏｔｈｅｒ　ｓｉｍｉｌａｒ　ｒｅｓｅａｒｃｈ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｈａｎｇｅ，ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｂｒｉｄｇｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｃｒａｃｋ，ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ　收稿日期：２０１４—０８＿２９　作者简介：邓志刚（１９８２一），男，工程师；　张定马（１９７８－），男，高级工程师