大跨结构温度和应力的监测分析

张 玉，卢鑫宇，梁壮壮，赵 敏，赵 锐

（新疆大学 建筑工程学院，新疆 乌鲁木齐830047）

置于外界环境中的桥梁等大跨结构受到外界的影响而产生温度效应，通常难以计算而简化考虑。然而现实生活中许多桥梁事故都被证实与温度效应考虑不周有关。由于大跨结构施工周期长，受温度的影响比较大，在我们的调查研究发现，乌鲁木齐的昼夜温差最高可达20℃。因此温度在施工过程中产生的温差应力，变形及稳定性的影响不可忽视。研究大跨结构温度对应力与变形的影响也就十分重要。本文结合乌鲁木齐新客站的站房及雨棚的调查数据分析，从而得到大跨结构中，温度对应力和应变的影响。

1 温度效应的发展历程

从19世纪50年代开始，人们就开始认识到了温度效应对应力的影响。许多大跨结构的裂缝和破坏都是由温度应力引起的。德国Jagst厚腹板箱梁桥通车第五年就发现了严重的裂缝，经过估算，温度拉应力居然高达2.6MPa；湖北光化大桥1980年5月修建完成，1984年调查发现箱梁底面有明显的纵向裂，其顶板的温度拉应力高达2.7MPa。Fritz.Leonhardt在对德国几座预应力混凝土箱形梁桥发生严重裂缝的情况进行现场试验观测和理论研究后提出:箱形梁桥和肋板梁桥表面和下缘之间，温差可高达27～33℃；预应力混凝土箱型桥梁大都因为温差应力而损害。随着科技的发展，越来越多的大跨结构走进了我们的生活，因此，对温度应力的研究也越来越受到了人们的重视。

2 温度应力的影响因数

由于混凝土的导热系数较小，在外界环境温度急变的情况下，内部温度具有明显的滞后性。因而导致混凝土内外的温度具有明显的差异。影响混凝土内外温差的因数可分为两部分:即内部因数和外部因数，外部因数主要有太阳辐射，昼夜降温，寒流等引起的温度变化；内部因数主要是由于导热系数和比热容等引起的。一般而言，混凝土的骨料对导热系数的影响比较大。一般骨料的混凝土导热系数约为1.8～3.5W（m·s·℃）。而采用轻质骨料的导热系数大约为1.3W（m·s·℃）。由于骨料在集料中所占的比重较大，因此混凝土的比热容受骨料的影响比较明显，普通骨料混凝土的比热容一般不低于800J／（kg·℃），不超过1 200J／（kg·℃），大约为轻质骨料的1.5倍。

3 温度对应变的影响

为了探究温度对应变的影响，我们对乌鲁木齐新客站的站房及雨棚进行了实际调查，站房模型图如图1所示。图2为①区的监测布置图，其中监测点上弦杆3个，腹杆4个，下弦杆5个；图3是①区的的网架变形图；图4是①区的温度时间曲线图；图5是①区应力变化曲线图。

图1 站房模型

图2 ①区的监测布置

由图3～图7，可以，看出以下现象:

1）在7月5日—8月9日这段期间内，我们由图1可以看出变形量的最大值为80mm，变形量的最大差值为50mm。

2）根据图4，可以看出最高温度为42℃，最低气温为15℃，最大温差为27℃。

图3 ①区网架变形曲线

图4 ①区上弦温度时间曲线

图5 ①区上弦应力变化曲线

图6 12区腹杆应力时间曲线

图7 12区腹杆温度时间曲线图

3）将图3和图4对比分析，不难看出变形量是随温度变化的，但是变化不存在线性关系。

4）由图5可以看出最大应力为150MPa，出现在7月29日，最小－60MPa。

5）由图5和图4可以看出，温度与应力的关系不是线性相关。

6）我们选取图中7月9—11日这段时间，从图3中变形的情况可以看出，变形量是在增大的，变形量为20mm，图4中，温度显示，从23℃下降到19℃，温度变化量为4℃，从图5可以看出应力的变化量为8MPa。

7）选择8月4—8日这段时间，由图3可以看出变形量为28mm，温度变化了5℃，应力值变化了20MPa。

8）在看图6，12区腹杆应力时间曲线图，10月18日的温度最低，为18℃，温度最高为10月19日，温度为30℃，10月16—19日的温差极大值为12℃。

9）在图6中，我们可以看出4点应力变化情况，1日点的应力变化幅度较小，变化幅度都在8 MPa以内，2日点的应力一直都在变大，最高为40 MPa，3日点的应力也在变大，最高为10月19日，为43MPa，4日点最高也在10月19日。我们可以看出在10月19日以前，应力变化都较为明显，10月19日以后，应力变化都趋于平坦。

10）将图6和图7对照，不难看出1日点的温度和应力变化都趋于平缓，经过调查，知道1日点位于阴面，温度变化不明显。

11）通过分析可知，温差应力不是线性相关的。

4 温差应力的特点

结合上面的理论分析以及我们采集的数据，从而很容易得出大跨结构温差应力的特点，总结如下:

1）温差应力是由于温度变化引起的，因此它与荷载应力不同，荷载应力满足胡克定律，而温差应力不满足胡克定律，随着温差的变化，它会出现应变增大，而应力减小的情况。与一般的应力应变关系大不相同。

2）由于结构中的温度场不是随着壁厚呈线性分布的，因而结构中的应力分布不是线性分布。具有非常明显的非线性特性。

3）结构中的温度具有瞬时性，因此它的温度是每时每刻变化的，而温差应力是温度变化所引起的，因此结构中的温差应力也具有瞬时性，也是每时每刻随温度的变化而变化的。

5 采取的措施

随着材料与科学技术的高速发展，无论是在房屋建筑，还是城市桥梁，大跨结构在我们以后的生活中，应用越来越广泛。然而，由于其温度荷载效应的影响，往往容易影响大跨结构的使用性能以及使用寿命。因而对其温度荷载的影响不容忽视，所以必须从防和控两个方面来采取措施避免温度效应带来的安全问题以及精度的控制问题。

1）对关键截面的的温度场进行测试时，尽可能选取多个点进行测试，从而保障测量结果的准确性和可靠性。得到的数据，要及时进行处理，对应力进行计算时，要考虑温度的影响，从而保障结构施工精度的要求。

2）对于特殊的截面，还应进行必要的应力测试，时刻了解施工过程中所发生的情况，便于及时了解，及时分析，及时处理。从而保障施工的安全性。

3）对采集的数据进行合理分析，做到不偏不漏，使预警更符合实际情况。

4）此外，在安装时，还应加强监测，随时查看各部件的温度，应力以及应变的变化情况，以便做好防护措施。

5）在安装好以后，还应做好监测措施，加强平时的监测，避免在使用时，因为温差过大，而产生较大的温差应力，使得结构过早的产生破坏。

6）同时，还可以在材料上加强研究，尽量研究出一些价格上便宜，强度上优良，感温性能较差的材料。

6 结束语

基于前期的研究，为了使得大跨结构在我们的基础设施建设中得到推广，那么我们就需要更好地克服大跨结构温差应力的这些缺点，对于这些缺点，我们目前提出的建议是，在设计上，合理的预测:在施工上，进行严格的控制；在材料上，应用感温性能较差的材料；在使用上，加强养护与监测。对于这些，我们目前主要进行了智能监测系统的研究，想通过智能监测系统，来更好地控制结构各个部位温度与应力应变的变化。通过我们在设计上的合理预测与计算以及在施工上进行严格地控制，以及采取良好的智能监测系统，相信在不久的将来，温度应力将不会是限制大跨结构应用的障碍，大跨结构会在我们以后的生活中，更好地服务于我们。

［1］ 宋胜录.高墩大跨连续刚结构温度效应研究［D］.长沙:湖南大学，2008.

［2］ 张运波.薄壁空心高墩的温度效应及其对稳定性影响的研究［D］.北京:中国铁道科学研究院，2010.

［3］ 范立础.预应力混凝土连续梁桥［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［4］ 刘来君.张宏光.温度应力引起的预应力混凝土箱型梁开裂分析［J］.西安公路交通大学学报，1999，19（4）:39－41.