温度荷载对预应力箱梁影响的分析与研究

李云虎 潘怡宏 熊诚

(中国市政工程中南设计研究总院有限公司,湖北武汉 430000)

温度荷载对预应力箱梁影响的分析与研究

李云虎 潘怡宏 熊诚

(中国市政工程中南设计研究总院有限公司,湖北武汉 430000)

由于预应力混凝土箱梁长期暴露在室外,所以内部会产生大量的非线性温度场。温度场由于其直接作用于混凝土预应力箱梁的材料产生应变,所以直接影响到混凝土预应力箱梁的耐久性以及其可靠性。在施工中经常可以见到设计完美的一些桥梁由于温度应变导致梁板开裂,降低功用。本文通过具体试验以及运用计算机拟合实验数据分析在温度荷载条件下混凝土预应力箱梁的耐久性与可靠性。得到了以下几点结论:(1)在温度荷载条件下,混凝土预应力箱梁会受到哪几个方面的应力。(2)在温度荷载条件下,混凝土预应力箱梁会受到哪几个方向的位移。

混凝土预应力箱梁 温度荷载 应力 挠度

1 概述

1.1 研究背景及意义

进入20世纪以后，大量的预应力构件快速发展。其中预应力混凝土箱梁由于其独特的机构形式和良好的力学特性被广泛运用于桥梁建设中。特别是近些年来，国内外跨度超过60m的桥梁一般都采用预应力混凝土箱型梁。比如武汉长江二桥与郑州黄河二桥均采用的是混凝土预应力箱梁构造。但是，混凝土预应力箱型梁桥也存在着一定的问题:

(1)随着时间的推移，混凝土预应力箱型梁桥会产生较大的挠度，并随着时间的增长产生变化；

(2)混凝土预应力箱型梁挠度较大。在使用过程中要远远大于设计挠度值。

1.2 研究现状

国外[1]自二十世纪五十年代便开始了关于温度荷载对混凝土预应力箱型梁的影响的课题研究。随着一部分由于温度荷载导致的桥梁损毁以及垮塌的事故的发生，国外学者开始大量研究温度荷载对混凝土预应力箱梁影响的课题研究。

我国则是从上世纪八十年代开始进行这类研究的。近几十年来由于此类事故大量发生，我国开始加紧对此类问题的研究。现今阶段铁道部科学院[2]对此类问题研究成果较多。但是也是主要从具体桥梁事故以及案例中分析原因与形成机理的。

2 混凝土预应力箱型梁温度荷载种类

混凝土预应力箱型梁主要的温度荷载来自于长时间的阳光照射，由于阳光直射导致箱型梁内部产生温度场，从而导致箱型梁产生一部分温度荷载，最后产生位移以及挠度变化。温度应力由于其形成方式不同与其结构形式不同最终会导致其产生不同的效应即温度应力与温度次应力。当桥梁结构为超静定结构时，温度荷载会使桥梁结构产生温度次应力，也称之为温度约束应力。一般静定结构会使桥梁产生温度应力。

温度作用的类型主要分为三种:日照温度变化作用、年度温度变化作用、气候骤变温度变化作用。由于混凝土预应力箱型梁内部温度变化较为缓慢。所以，温度变化比较复杂[3]。对于混凝土预应力箱型梁温度荷载的影响要从三个方面逐个分析。

2.1 日温度变化作用

日温度变化作用主要影响部位有:顶板、腹板。随着阳光照射，混凝土预应力箱型梁顶板以及腹板温度有较为明显的升高，但是混凝土预应力箱型梁内部温度基本保持恒定，变化较小。根据对武汉长江二桥的实时监测，只有每小时一摄氏度的温度变化。这种变化导致混凝土预应力箱型梁自身产生较大的温度梯度。而且随着外部环境的不同变化，温度变化也较为复杂，并无法拟合成为函数曲线。

2.2 年温度变化作用

随着一年四季的变化，春夏秋冬周而复始，混凝土预应力箱型梁的温度变化也呈现一种变化。这种变化比较缓慢，效果比较不明显。所以这种变化模式是一种长期的、缓慢的变化。

2.3 气候骤变温度变化作用

随着当今气候污染严重，大量极端气候的出现。气候骤变温度变化作用逐渐成为混凝土预应力箱型梁受到温度效应破坏的主要作用之一。气候骤变温度变化效应虽然在温度变化上要小于日温度变化作用，但由于其作用时间短，作用时间突然所以危害较大。

3 温度荷载对预应力箱梁影响分析

3.1 混凝土预应力箱型梁温度场选定及其效应分析

3.1.1 温度场的选定

随着大跨径桥梁的发展，温度应力逐渐得到重视。但是对于温度应力的研究取决于温度场的选定。由于温度场形式多样，变化形式不同所以选定温度场极其关键。通过对湖北武汉长江二桥进行监测，我们可以选定相应的温度场，也就是混凝土预应力箱型梁随温度变化自身温度实际变化形式。

3.1.2 混凝土预应力箱型梁横向温度效应

根据选定的温度场我们对混凝土预应力箱型梁横向温度效应进行研究得到了以下结论:

随着温度不断增加，混凝土预应力箱型梁顶板的温度会不停的增加。顶板中点以及翼板温度增加最快。腹板上方顶板温度增加较慢。从而导致横向温差的产生，并随着温度的增加逐渐增加。

3.1.3 混凝土预应力箱型梁温度效应结论

通过运用多光点人工控制的方法调整光源照射角度以及光点工作功率的方法对试验梁进行温度场模拟，使之与选定的温度场呈现相同的变化趋势。在形成温度场的过程中对试验梁各个截面的挠度进行实时测量，并通过附着式应变片测定试验梁的横向应变大小。

通过具体检测数据以及实际施工中经验总结我们可以得到发现:

(1)随着温度的增加，混凝土预应力箱型梁跨中以及支座处截面会随着温度的变化加速上挠。这种变形会直接导致混凝土预应力箱型梁变形增大。

(2)混凝土预应力箱型梁产生较大了较大的横向压应变。

3.2 温差重复作用对混凝土预应力箱型梁效应研究

在箱梁浇筑结束后31天内开始施加预应力，待预应力筋张拉结束后对混凝土预应力箱型梁进行现场测定。测定结果显示，混凝土预应力箱型梁整体截面呈现受拉状态。预应力施加结束后，运用多光点光源对混凝土预应力箱型梁进行直接照射。通过光照模拟日照对混凝土预应力箱型梁温度变化作用。通过半小时升温，半小时降温的措施模拟温差重复作用。每天七次，进行周期为一个月。并对每次升温至最高温度时混凝土预应力箱型梁的应变以及位移进行测定。试验结束后对测定的数据运用数据分析软件进行拟合。

通过与软件模拟[4]的结果对比，结果基本一致。由此对混凝土预应力箱型梁再重复温度作用下的效果，我们可以得到以下几点结论:

(1)随着温度差的不断变化混凝土预应力箱型梁除了支座处以外，各个截面均产生了巨大的变化。各个截面的挠度不断大量地增加，跨中截面挠度变化最为明显。

(2)温度变化趋势越大，混凝土预应力箱型梁挠度变化也越大。温度变化趋势越小，无论温度高低，混凝土预应力箱型梁挠度变化趋势较小。

(3)由于温度变化的不均等性，混凝土预应力箱型梁会产生一定的差应变。

4 结论以及发展趋势

本文通过对长江二桥的具体检测与运用软件分析得到了以下几点结论:

(1)日照温度变化对长江二桥混凝土预应力箱型梁的影响主要特性。即温差沿着混凝土预应力箱型梁腹板自上而下产生非线性变化。当以最低温度为基准点时，实测温差变化曲线与我国规范规定值基本一致。

(2)混凝土预应力箱型梁在温度上升过程中，会产生向上的挠度。并且随着温度的上升，混凝土预应力箱型梁跨中部位的挠度变化速度逐渐大于其他部位。在腹板中部会产生最大纵向拉应力。

(3)日照温度产生的温度差不断作用在混凝土预应力箱型梁上，混凝土预应力箱型梁各个板面的温度变化不同，产生的应变也不一致。长期的温度效应反复作用会导致混凝土预应力箱型梁底板的不均匀收缩，促使混凝土预应力箱型梁的挠度增大。

[1] Jamal A．Almudaiheem,Will Haseen．Effect of Specimen Size and Shape on Drying Shrinkage of Concrete[J].ACIMa2 terials Journal,1987,(2):130-135．

[2] 谢峻,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．

[3] 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．

[4] 邵旭东,李立峰,鲍卫刚.砼箱形梁横向温度应力计算分析[J].重庆交通学院学报,2000(4)．