预应力混凝土箱梁温度效应试验

向 南，余佳玉

(重庆交通大学土木建筑学院，中国 重庆 400074)

随着预应力混凝土箱梁桥跨度的增大，主梁长期下挠超限问题也日益突出。研究表明，影响预应力混凝土箱梁桥下挠的主要因素有:预应力损失、裂缝作用、运营超载等，近年来。日照温差的影响也受到人们的关注［1］。事实上，结构暴露在大气中，将受到外界各种温度的影响，其中，日照温差的影响较为严重，这是因为混凝土材料导热性能差，日照温差使结构内外表温度不一致，内部产生温度梯度，从而导致结构产生温度变形［2］。箱形截面具有良好的结构性能，在大跨径桥梁截面形式中广泛应用，笔者主要通过试验了解箱形截面梁在温度效应下变形特性，即通过人工控温的方法对箱梁进行反复作用，分析日照温差对预应力混凝土结构变形的影响。

1 模型设计

1.1 箱梁模型设计

箱梁计算跨径5.96 m，顶板宽2.4 m，底板宽1 m，高0.8 m，翼缘板端部5 cm，其余板厚为8 cm。模型浇筑先底板后腹板及顶板，经30天养护后张拉预应力;模型浇注时间相同，均为一次浇筑完成。2组模型的混凝土强度等级均为C50，配筋纵向均为HRB335 级，箍筋为 R235 级［3］。

1.2 试验对照用工字梁模型设计

为了避免因箱梁自重、混凝土收缩徐变等引起的挠度对因温度作用产生的挠度识别的影响，试验中采用在工字梁(平置)模型侧面加温的方式进行对照试验。工字梁A、B尺寸一致，计算跨径3 m，顶底板宽40 cm，厚8 cm，腹板厚8 cm，梁高 30 cm［3］。

2 模型材料

2.1 原材料

由于箱梁模型的厚度均较小，因此，混凝土配合比设计考虑了粗骨料最大粒径及混凝土和易性等因素，具体详见表1。

表1 混凝土配合比Table 1 The mix proportion of concrete

2.2 混凝土力学指标

分别于张拉预应力前，测定其力学性能，其结果列入表2中。钢筋的实测强度为:Φ12纵筋抗拉屈服强度为360 MPa，极限抗拉强度为534 MPa;Φ16纵筋抗拉屈服强度为348 MPa，极限抗拉强度为523 MPa;Φ8纵筋抗拉屈服强度为228 MPa，极限抗拉强度为376 MPa。

表2 混凝土力学指标Table 2 The mechanial index of concrete /MPa

3 箱梁与工字梁反复温度效应试验

3.1 试验装置

箱梁实验装置如图1。

图1 箱梁试验装置照片Fig.1 The test device of box girder

工字梁试验装置如图2。

图2 工字梁试验装置照片Fig.2 The test device of box girder

3.2 试验方法

试验分为两组，一组为混凝土箱梁，另一组为混凝土工字梁A、B。为了减少实验误差，2组试验的模型均放在同一个试验室里进行，使模型所处的环境，包括空气湿度、温度、光照等均相同。为达到排除重力影响的效果，把两片工字梁翻转90°放置，侧向作用于工字梁。

3.3 箱梁温度重复荷载试验

1)试验前，在箱梁预先设定的控制截面A－A(跨中)、B－B(1/4跨)上布置相应的钢筋计，表贴式应变计，热敏电阻等测点。并对模型进行试升温以确定每次循环升、降温时间。

2)采用多点光源(碘钨灯)配合自控开关模拟日照温度荷载对预应力混凝土箱梁进行升温。

3)反复温度荷载对箱梁作用7天，每天重复作用8 次，每次升温 0.5 h，降温 2.5 h。

4)施加温度荷载前需测定并记录好箱梁截面应变及挠度初值。定期测量模型的应变和线型，需提前24 h关闭电源，使模型自然降温至室温而后进行测量。

3.4 工字梁温度重复荷载试验

1)试验前，在工字梁预先设定的控制截面I－I(跨中)、II－II(1/4跨)上布置贴式应变计，热敏电阻等测点。并对模型进行试升温以确定每次循环升、降温时间。

2)工字梁只对A梁采用多点光源(碘钨灯)照射混凝土的方法模拟施加温度荷载，B梁不施加任何荷载。

3)反复温度荷载对工字梁作用3天，每天重复作用8 次，每次升温0.5 h，降温2.5 h。

4)定期测量模型的应变和线型，需提前24 h关闭电源，使模型自然降温至室温而后进行测量。

3.5 试验结果整理

预应力混凝土箱梁挠度变化如表3。表中正值表示梁体下挠，负值表示梁体上挠。

表3 箱梁挠度变化情况及挠度曲线Table 3 The deflection changes and deflection curve of box girder

根据表3中箱梁跨中截面及1/4截面挠度随时间变化的数据，可绘制其挠度随时间变化曲线，如图3。

混凝土工字梁A的挠度变化如表4，梁B的挠度变化情况如表5，挠度正值表示梁体顺着温度荷载作用方向挠，负值表示梁体向反方向挠。

根据表中A、B工字梁跨中截面及1/4截面挠度随时间变化的数据，可绘制其挠度随时间变化曲线，如图 4、图 5。

图3 箱梁挠度变化曲线Fig.3 The deflction changes of box girder

表4 A梁挠度变化Table 4 The deflection changes of beam A

表5 B梁挠度变化Table 5 The deflction changes of beam B

由实测数据拟合的箱梁顶底板A－A(跨中)截面、工字梁A、B应变差值变化曲线分别如图6～图8。

图6 箱梁A－A截面顶、底板应变变化曲线Fig.6 The diagram of strain change on the top and bottom of the cross-section of box girder A－A

3.6 试验结果分析

3.6.1 箱梁与工字梁挠度变化比较

从分析可知:

1)随着作用时间的增加，箱梁和工字梁A的控制截面变形均逐渐增大，跨中截面的变化均为最明显，箱梁下挠最大值累计达0.6013 mm;工字梁A侧移最大值累计达0.716 mm。

2)在温差作用最初，变形增幅较大。随后的月份由于室温随之升高，梁体受到周围高温的影响，挠度增幅减缓。进入秋季以后，随着室温的逐渐降低，梁挠度又开始快速增加。此变化规律箱梁与工字梁A大致相同。

3)常温下的工字梁B，由于没有受到任何形式的外力以及反复温差的影响，因此侧向挠度变化非常微小，并且没有规律。

4)由于温差长期作用，顶板受到温度的直接作用因而应变变化较快，而不受直接作用的底板应变变化相对较慢，使顶底板之间产生了较大的应变差，即产生了非均匀变形，这种收缩变形的差异将导致主梁曲率长期的增加，从而导致了箱梁下挠［4］。同样，工字梁A靠近温差一侧的翼板应变较远离光源一侧的翼板增大得快，两侧应变差值的增加，导致了工字梁的侧向挠度。放置于室温下的工字梁B两侧应变差值没有明显的变化。

3.6.2 有限元模型仿真分析的计算值与实测值的对比分析

1)由有限元模型分析得出的箱梁挠度分布图及挠度变化曲线可知，随着温差重复作用次数的增加，箱梁截面挠度不断增大，其中，A－A截面变化最明显，跨中截面挠度最大达到0.722 mm，与实测数据0.6013 mm相差不大。

2)由有限元模型分析得出的箱梁应变分布图及应变变化曲线可知，随温差反复作用箱梁顶底板应变持续增长，但顶板应变较底板增长得快，由于该应变为压应变，可知顶板均处于收缩状态。

3)由有限元模型仿真分析的计算值与实测值的对比分析可以看出:不同温差重复作用时间下，箱梁截面挠度的计算值与实测值虽有一定差异，但基本趋势一致。亦证实了顶底板的非均匀收缩是导致箱梁下挠的原因。

4 结语

综上所述，在人工控温模拟日照温差的试验中，预应力混凝土箱梁与工字梁A在反复温差荷载的作用下，均发生大变形。结构近光源端产生的应变远大于远端，从而便产生了较大的应变差，即非均匀变形，并导致主梁曲率增加与变形。由于进行对比试验的工字梁B未受到温差荷载的作用，其变形变化和应变变化微小。总之，在日照温差的重复作用下，预应力混凝土箱梁会产生下挠，应在桥梁设计中加以考虑。

［1］王国亮，郑晓华.大跨径预应力混凝土箱梁桥长期下挠问题的研究现状［J］.公路交通科技，2007，1(1):47 －50.WANG Guo-liang，ZHENG Xiao-hua.State of art of long-term deflection for long span prestressed concrete box-girder bridge［J］.Journal of Highway and Transportation Research and Development，2007，1(1):47 －50.

［2］盛洪飞.混凝土箱形截面桥梁日照温度应力简化计算［J］.哈尔滨建筑工程学院学报，1992，25(1):32－39.SHENG Hong-fei.Simplified calculation of sunsline temperature stess of concrete box-section bridge［J］.Journal of Harbin Institure of Architectural Engineering，1992，25(1):32 －39.

［3］余佳玉.重复温度荷载对预应力混凝土箱梁的影响研究［D］.重庆:重庆交通大学，2011.

［4］范立础.预应力混凝土连续梁桥［M］.北京.人民交通出版社，1988.

［5］王效通.预应力混凝土箱梁温度场计算的有限元法［J］.西南交通大学学报，1985(3):52－62.WANG Xiao-tong.Temperature filed calculation of presturessed concrete box gider by finite ekement method［J］.Journal of Southwest Jiaotong University，1985(3):52－62.