嚴寒地區(qū)混凝土箱梁實測溫度梯度分析

吳 春 劉 哲

(山東省冶金設計院股份有限公司，山東 濟南 250000)

1 概述

混凝土箱梁橋的豎向溫度梯度一直受到研究人員的廣泛關注[1,2]。一般認為，在結構設計中應考慮豎向溫度梯度?！豆窐蚝O計通用規(guī)范》(以下簡稱《通規(guī)》)給出了混凝土橋梁[3]設計時的半理論半經驗溫度梯度值。與美國、新西蘭和歐洲的規(guī)范相比，《通規(guī)》只給出了頂板的溫度梯度，而沒有給出底板的溫度梯度。中國地域遼闊緯度跨度大，從中國北方到南方的溫度變化也很大。因此，一般規(guī)范給出的溫度梯度是否適用于全國各區(qū)域橋梁仍需進一步研究。為此，對黑龍江地區(qū)一座混凝土箱梁橋的6個截面進行了溫度數據實測分析試驗。

整理分析現場實測溫度數據發(fā)現，混凝土箱梁底板存在明顯的溫度梯度，而且箱梁上緣溫度梯度的影響深度大于《通規(guī)》的規(guī)定值。通常情況下負溫度梯度值大于正溫度梯度值的一半。根據實測數據，提出了新的溫度梯度代表值計算方式。

2 溫度梯度一般值

《通規(guī)》規(guī)定的溫度梯度值如圖1所示。

根據《通規(guī)》中混凝土橋梁結構溫度梯度的規(guī)定，當梁高H<400 mm，A=H-100 mm；當梁高H≥400 mm，A=300 mm。如果橋梁為混凝土路面，代表溫度值T1=25 ℃，T2=6.7 ℃。由于本文所用溫度數據是在混凝土箱梁澆筑完畢橋面鋪裝還未施工的情況下采集的，因此我們認為本橋混凝土箱梁豎向溫度梯度取值與橋面鋪裝為水泥混凝土鋪裝時一致?！锻ㄒ?guī)》與美國AASHTO規(guī)范不同，《通規(guī)》沒有給出混凝土箱梁底板的溫度梯度值。AASHTO通過考慮不同地區(qū)[4]的氣候，對于混凝土箱梁頂板和底板均給出了具有代表性的溫度梯度值。由于我國不同地區(qū)的氣候差異較大，東北、新疆、青藏高原地區(qū)氣溫較低，東南沿海及中原地區(qū)氣溫較高。因此，為了更準確的計算溫度梯度效應，應考慮不同地區(qū)底板溫度梯度和具有代表性的溫度梯度值。

3 現場實測溫度梯度值

3.1 傳感器布置

為了獲得更多的實測溫度數據在試驗橋梁6個截面布置溫度傳感器，其中3個截面為單箱雙室結構，其余3個截面為單箱四室結構。箱室相同的截面?zhèn)鞲衅鞑贾没疽恢?，為了避免冗余，在這里單箱雙室和單箱四室截面分別只給出一張傳感器布置圖。其他截面?zhèn)鞲衅鞯牟贾梦恢门c圖2,圖3給出的布置位置相同。圖2和圖3分別為單箱雙室截面和單箱四室截面的傳感器位置布置示意圖。

3.2 正溫度梯度分析

對6個截面第一年10月～次年8月的實測溫度數據整理，選擇不同月份的正溫度梯度值繪制在同一圖表中進行對比分析，見圖4。

分析圖4溫度數據中可以看出，從5月到11月由于外界環(huán)境溫度比較高，受日照及外界氣溫影響混凝土箱梁頂底板溫度梯度均為正溫度梯度值。從頂板開始的溫度梯度大致分為兩部分。第一部分距梁頂深度為100 mm，第二部分距梁頂深度為100 mm～1 000 mm。實測溫度數據顯示混凝土箱梁上緣溫度梯度的影響深度大于規(guī)范規(guī)定的400 mm?；炷料淞喉斁壍膶崪y最大溫差為16 ℃，此溫差值小于《通規(guī)》規(guī)定值25 ℃。五月份實測的上緣正溫度梯度與《通規(guī)》規(guī)定的正溫度梯度分布模式基本相同。由圖4還可以看出，混凝土箱梁下緣存在明顯的正溫度梯度分布。下緣正溫度梯度最大溫差為5.4 ℃，影響范圍是從梁底至距梁底300 mm處。混凝土箱梁下緣正溫度梯度僅受周圍環(huán)境影響而形成，不受陽光照射影響，因此溫度梯度值及影響深度都比上緣正溫度梯度的要小。

3.3 負溫度梯度分析

分析圖5溫度數據中可以看出，從11月到次年1月由于北方進入冬季外界環(huán)境溫度降低，受外界環(huán)境影響混凝土箱梁上下緣產生負溫度梯度。進入11月后東北地區(qū)迎來一場大規(guī)模降溫，11月10日實測的負溫度梯度值比其他時間段測得的負溫度梯度值大。這一現象的產生是混凝土導熱系數較低，當環(huán)境溫度驟降混凝土箱梁表面與周圍環(huán)境快速發(fā)生熱交換溫度快速下降，梁體中部混凝土還沒來得及散熱降溫。從圖5可以看出，11月10日混凝土箱梁上緣負溫度梯度明顯比下緣負溫度梯度大，其他時間段實測的混凝土箱梁上緣與下緣負溫度梯度值差別不大。上緣負溫度梯度影響范圍比下緣的要大，這是由于下緣僅受空氣溫度影響，而上緣除受空氣影響外還受到降雪影響。綜合分析圖4和圖5可以看出，當寒潮來臨時混凝土箱梁表面溫度下降很快溫度很低，用正溫度梯度值乘以-0.5確定負溫度梯度是有偏差的。

3.4 根據實測溫度數據擬合的溫度梯度

我國東北地區(qū)受西伯利亞冷空氣影響基本每年都會經歷大規(guī)模降溫，為了獲得更符合實際的負溫度梯度，應考慮寒流的影響。根據實測數據擬合的溫度梯度模式見圖6,圖7。頂緣處溫度梯度值18 ℃，距梁頂緣100 mm處溫度梯度值8 ℃，距梁頂緣1 000 mm處溫度梯度值0 ℃。梁底緣處溫度梯度值6 ℃，距梁底緣100 mm處溫度梯度值2 ℃，距梁底緣300 mm處溫度梯度值0 ℃。

梁頂緣處溫度梯度值-12 ℃，距梁頂緣1 000 mm處溫度梯度值0 ℃。梁底緣處溫度梯度值-6 ℃，距梁底緣300 mm處溫度梯度值0 ℃。

4 結語

對于連續(xù)箱梁橋溫度梯度荷載是產生溫度應力的主要荷載，設計中準確計算溫度應力是非常重要的。分析實測溫度數據與《通規(guī)》對比得出以下結論：1)混凝土箱梁受外界環(huán)境影響主梁上下緣均存在明顯的溫度梯度，設計時應考慮下緣溫度梯度影響。2)從梁頂緣到距梁頂緣1 000 mm處為混凝土箱梁上緣溫度梯度影響范圍，從梁底緣到距梁底緣300 mm處為下緣溫度梯度影響范圍。3)對于本橋上緣負溫度梯度取正溫度梯度的-0.67倍，下緣負溫度梯度取正溫度梯度的-1倍較為準確。