混凝土橋梁設(shè)計(jì)中的溫度效應(yīng)

李燕清 張富貴/重慶市軌道交通設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司

混凝土橋梁設(shè)計(jì)中的溫度效應(yīng)

李燕清 張富貴/重慶市軌道交通設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司

混凝土橋梁設(shè)計(jì)中的的溫度效應(yīng)問題涉及到傳熱學(xué)、氣象學(xué)、一般天文學(xué)和結(jié)構(gòu)分析等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)，具有復(fù)雜性和多學(xué)科交叉性的特點(diǎn)，其理論研究和試驗(yàn)體系尚不十分成熟，有許多問題有待更深入的研究和探索。

混凝土橋梁；橋梁設(shè)計(jì)；溫度效應(yīng)

一、溫度效應(yīng)對(duì)混凝土橋梁設(shè)計(jì)的重要意義

在混凝土橋梁使用過程中，會(huì)受到環(huán)境中的各個(gè)因素的影響。例如：空氣、水分、氯離子等化學(xué)物質(zhì)，在各種因素中溫度飛影響是最直接的，對(duì)于橋梁整體結(jié)構(gòu)的破壞也最為嚴(yán)重，溫度對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)影響的最直接的原因就是由于溫度差而產(chǎn)生的溫度力。溫度應(yīng)力對(duì)于混凝土橋梁的破壞主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：

1.溫度自應(yīng)力：混凝土橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部不同纖維由于溫度作用產(chǎn)生變形引起的相互之間的作用，這種溫度應(yīng)力就是溫度自應(yīng)力。

2.溫度次應(yīng)力：混凝土橋梁由于溫度的影響受到來(lái)自外界的變形約束力，這種溫度應(yīng)力被稱為溫度次應(yīng)力。

隨著當(dāng)前混凝土橋梁工程建設(shè)的迅速發(fā)展和結(jié)構(gòu)規(guī)模的不斷增大，由于混凝土橋梁設(shè)計(jì)中工程建設(shè)和安全質(zhì)量控制郡守溫度效應(yīng)的影響。因此，溫度效應(yīng)對(duì)于實(shí)際混凝土橋梁工程建設(shè)影響的分析和研究具有十分重要的意義。

二、混凝土橋梁溫度效應(yīng)的特點(diǎn)

（一） 混凝土橋梁結(jié)構(gòu)， 受氣象因素影響而產(chǎn)生的溫度變化，可以看成是有由兩個(gè)基本的周期性變化所組成：

1.以年為周期的結(jié)構(gòu)內(nèi)部平均溫度的緩慢變化，即年溫變化；

2.每天太陽(yáng)輻射及氣溫波動(dòng)等氣象條件變化所引起的非線性溫度變化；

3.在施工過程中， 還有由新澆混凝土水化熱引起的溫度荷載，這種臨時(shí)的溫度荷載一般通過適當(dāng)?shù)氖┕ご胧﹣?lái)控制， 如冷卻水降溫、加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)以及使用低熱水泥等措施。年溫變化比較簡(jiǎn)單，其溫度效應(yīng)也比較容易確定。 年溫變化主要引起結(jié)構(gòu)軸線方向的長(zhǎng)度變化， 只有當(dāng)這種縱向變形受到約束時(shí)，才會(huì)引起附加的溫度應(yīng)力，而且由于變化緩慢，會(huì)受到混凝土徐變影響而削弱，由此引起的溫度應(yīng)力一般比較小。

（二）每日氣象條件變化引起的溫度荷載效應(yīng)，一般可分成日照溫度荷載和驟然降溫荷載?；炷翗蛄航Y(jié)構(gòu)與外界環(huán)境的熱交換可分為三種形式：

1.混凝土表面吸收來(lái)自太陽(yáng)輻射的熱能；

2.混凝土表面與大氣的對(duì)流換熱；

3.大氣和周圍環(huán)境的輻射換熱；

其中以無(wú)云晴天太陽(yáng)輻射的換熱強(qiáng)度最大。當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)受到日照作用時(shí)，表面溫度迅速升高，但由于混凝土傳熱性能很差，熱量向混凝土內(nèi)部傳遞的速度很慢，從而使外表面和混凝土內(nèi)部的溫度變化速率存在很大的差異，內(nèi)部的溫度變化明顯滯后于外表面處的溫度變化， 這樣就在混凝土結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生較大的非線性溫差。 混凝土外表溫度在太陽(yáng)輻射強(qiáng)度峰值后的某一時(shí)刻達(dá)到最高值，然后隨著太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的降低，外表溫度開始下降。夜間太陽(yáng)輻射消失，氣溫下降，白天積蓄在混凝土內(nèi)部的熱能向外傳遞，因此在夜間又會(huì)出現(xiàn)內(nèi)高外低的負(fù)溫差。此外，寒潮降溫也會(huì)在混凝土結(jié)構(gòu)中引起負(fù)溫差，但寒潮降溫一般歷時(shí)較長(zhǎng)， 由此引起的混凝土溫度變化速率較慢，而且寒潮出現(xiàn)概率也要遠(yuǎn)小于日照出現(xiàn)的概率。

三、混凝土橋梁設(shè)計(jì)中溫度效應(yīng)實(shí)際設(shè)計(jì)

針對(duì)溫度效應(yīng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響，在實(shí) 際的橋梁設(shè)計(jì)過程中必須從實(shí)際出發(fā)，針對(duì)不 同的結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)防分析及具體設(shè)計(jì) 。

（一）上部結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)設(shè)計(jì)

在上部結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)設(shè)計(jì)張，應(yīng)從三個(gè)方面進(jìn)行實(shí)際的分析和設(shè)計(jì)：

1.橋梁上部結(jié)構(gòu)溫度荷載分析與設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)與構(gòu)件材料的特性相聯(lián)系。

例如 ：鋼管混凝土拱橋在溫度相應(yīng)分析與防護(hù)設(shè)計(jì)過程中必須考慮鋼管與內(nèi)部混凝土之間的溫差應(yīng)力對(duì)整體結(jié)構(gòu)造成的影響。

2.橋梁上部結(jié)構(gòu)溫度荷載分析與設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)與結(jié)構(gòu)體系特性相聯(lián)系 。

很多橋梁形式其結(jié)構(gòu)體系特性的溫度特點(diǎn)是不 同的。例如：傳統(tǒng)拱橋的在溫度效應(yīng)分析及設(shè)計(jì)過程中只需考慮年溫差載荷效應(yīng)，而對(duì)于組合梁體系則主要考慮構(gòu)件之間的溫差效應(yīng)載荷。在這其中，最為顯著的橋梁結(jié)構(gòu)形式是斜拉由于斜拉橋的構(gòu)件組成較多。并且是鋼梁混凝土、其他金屬多種材料組成的。因此，在考慮溫度載荷分布及效應(yīng)分析過程中不僅要考慮溫差效應(yīng)，還要考慮各個(gè)構(gòu)件之間的溫度應(yīng)力作用。

3.橋梁上部結(jié)構(gòu)溫度荷載分析與設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)綜合考慮耦合應(yīng)力的影響。

橋梁上部結(jié)構(gòu)除了受到溫度應(yīng)力影響之外長(zhǎng)時(shí)間承受車輛及行人載荷的影響，除此之外 預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁內(nèi)部還存在顯著的鋼筋預(yù)應(yīng)力。所以，上部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力破壞更多的是由于耦合應(yīng)力作用。所以，在上部結(jié)構(gòu)溫度載荷分析過程中不能單獨(dú)將溫度應(yīng)力作為單一因素考慮。還應(yīng)分析溫度應(yīng)力與其他應(yīng)力之間的耦合作用。

（二）橋墩結(jié)構(gòu)的溫差效應(yīng)設(shè)計(jì)

橋墩作為混凝土橋梁整體的支撐體系，溫差效應(yīng)會(huì)對(duì)其穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著的影響 因此 ， 在橋梁設(shè)計(jì)過程中，要充分考慮橋墩結(jié)構(gòu)的溫差效應(yīng)。與上部結(jié)構(gòu)溫差效應(yīng)分析層面相同。橋墩結(jié)構(gòu)的溫差效應(yīng)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng) 以下三個(gè)方面入手：

1.橋墩溫差效應(yīng)必須分析 日照溫 差效應(yīng) 。

2.必須明確溫差應(yīng)力 的非線性分布 問題 。

3.必須進(jìn)行有效的約束設(shè)計(jì)。

在橋墩溫差應(yīng)力計(jì)算中均應(yīng)按上端有水平約束的情況來(lái)考慮。

四、橋梁設(shè)計(jì)中溫度效應(yīng)實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意的問題

在實(shí)際的橋梁設(shè)計(jì)過程中度效應(yīng)的設(shè)計(jì)還需要注意以下幾個(gè)問題 。

1.對(duì)于結(jié)構(gòu)重要結(jié)點(diǎn)的分析問題，可采用溫度場(chǎng)有限元分析方法來(lái)確定最不利溫度分布；

2.對(duì)于結(jié)構(gòu)整體分析計(jì)算問題，經(jīng)過理論計(jì)算與實(shí)測(cè)資料分析，一般可將空間溫度場(chǎng)簡(jiǎn)化為二維變量分離的最不利溫度分布，亦即用兩個(gè)一維的溫度分布近似疊加組合。這也是許 多國(guó)家規(guī)范普遍用的方法 ；

3.橋梁結(jié)構(gòu)溫差荷載效應(yīng)的分析，由局部溫差應(yīng)力分析和結(jié)構(gòu)整體效應(yīng)分析兩部分組成 并根據(jù)各種溫差荷載發(fā)生的可能性進(jìn)行疊加。

4.日照、驟然降溫溫差荷 對(duì)結(jié)構(gòu)的影響往往不亞于車輛荷載產(chǎn)生的效應(yīng)，我國(guó)公路橋梁規(guī)范中溫差荷載的數(shù)值較小，故在設(shè)計(jì)計(jì)算中應(yīng)注意這一問題 。

五、結(jié)束語(yǔ)

為保證混凝土橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和建設(shè)具有足夠的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和耐久性，滿足規(guī)定設(shè)計(jì)年限內(nèi)正常使用的要求和全壽命費(fèi)用最低的目的， 必須準(zhǔn)確分析和計(jì)算溫度效應(yīng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響，在設(shè)計(jì)和施工中采取合理、有效的措施。

[1] 范立礎(chǔ). 橋梁工程（ 第二版）[M]. 北京： 人民交通出版社，2001.

[2] 項(xiàng)海帆. 高等橋梁結(jié) 構(gòu)理論[M]. 北京： 人民交通出版社，2001.

[3] 劉興法. 預(yù) 應(yīng)力混凝土箱梁溫度應(yīng)力計(jì)算方法 [J]. 土木工程學(xué)報(bào)， 1986，19（l）.