福州地区混凝土箱梁腹板和底板板厚温差试验研究

(福州市公路局直属分局，福州350001)

福州地区混凝土箱梁腹板和底板板厚温差试验研究

■游华明

(福州市公路局直属分局，福州350001)

预应力混凝土箱梁桥由于其良好的受力特性而在桥梁结构中得到广泛应用，但是在运营过程中，相当数量混凝土箱梁的顶板、腹板、底板等部位出现了各种形式的裂缝，研究表明，温度应力是引起混凝土箱梁开裂的其中一个重要原因。对混凝土箱梁温度场的研究已开展较多，但主要集中在沿截面竖向及沿顶板板厚方向，对混凝土箱梁箱体腹板和底板沿板厚方向的温差研究还较少。为此，本文对福州地区的1座预应力混凝土连续箱梁梁桥进行了为期1年的温度观测，在腹板和底板沿板厚方向进行了结构温度场的测试，积累了宝贵的温度数据，得出了一些有益的结论。

箱梁温度腹板底板试验与研究

0 引言

随着公路建设事业特别是高速公路建设的迅猛发展，预应力混凝土箱梁(以下简称混凝土箱梁)桥由于其良好的受力性能和维修简便的特点而得到了广泛的应用[1]。但是在运营过程中，相当数量混凝土箱梁的腹板、顶板、底板、横隔板以及齿板等部位出现了各种形式的裂缝，裂缝的存在对结构的耐久性、安全度和正常使用都会产生十分不利的影响[2-5]。引起箱梁开裂的原因很复杂，尚未完全探明，但是有关研究表明，温度应力是引起混凝土箱梁开裂的其中一个重要因素[6-7]。

试验观测是研究混凝土箱梁温度场的一个重要手段，但大部分学者[8-15]对对混凝土箱梁的温度场试验方面的研究主要局限于箱梁截面温度分布的研究，康为江、袁建伟[16-17]等人虽然对箱梁板厚方向的温度场进行了试验观测，但也主要是针对顶板和底板板厚方向，对腹板板厚方向并没有进行深入研究。因此，本文对福州地区的一座预应力混凝土连续箱梁桥的腹板和底板进行了为期1年的实桥温度观测，以期得到一些有益的结论。

1 工程概况

鳌峰大桥是福州市内跨越闽江的一座8跨预应力混凝土连续箱梁桥，桥梁方位角为北偏东12°。鳌峰大桥全长500.90m，主桥桥式为8孔预应力混凝土变截面连续箱梁，跨径为40.45m+6×70m+40.45m，主桥上部构造主梁为双箱单室箱形梁，两箱完全对称。两箱单独施工，中间预留50cm湿接头，各自形成八跨连续梁后再把两箱联接起来。结构采用三向预应力体系，主梁混凝土设计标号为C50，桥面铺装层为8cm厚C30混凝土铺装层。鳌峰大桥总体布置图与实桥照片分别见图1和图2。

图1 福州鳌峰大桥总体布置图(单位：cm)

图2 福州鳌峰大桥实桥照片图

2 温度场现场试验

现场试验选用长沙金码高科技实业有限公司研制的JMT-36C温度传感器、JMWT-64型温度自动采集仪、JMZX-2007型无线收发模块进行温度数据的测量和采集，试验装置见图3。

图3 温度测量与采集装置

本试验利用实桥左箱梁腹板和底板上的通风孔进行温度传感器的布设，布设后灌注与主梁同标号混凝土。为了反映太阳辐射对箱梁截面的影响，以及太阳辐射对沿桥梁纵向不同尺寸箱梁截面的作用效果,选择了两个箱梁截面布置温度测点，分别是第2跨的1/4跨截面(I-I截面)和1/2跨截面(II-II截面)进行测量，观测截面位置如图4所示。在两个截面箱梁东西侧腹板各等间距布设10个温度传感器，底板也等间距布设10个温度传感器，并在箱梁桥面、腹板和底板的外侧和箱梁内侧均布置了1个测试环境温度的传感器，截面测点布设见图5和图6。

图4 箱梁温度观测截面布置图(单位：cm)

3 温度测试结果分析

对福州鳌峰大桥的温度观测是从2010年4月1日开始，直至2011年3月31日结束，观测间隔是1h。期间除去数次更换设备电池的间隔，本试验一共采集了345天、8280小时的温度数据，

3.1 沿桥梁纵向的温度分布研究

国内外大量研究表明[16,18,19]，混凝土箱梁桥无论是受到太阳辐射的影响导致箱梁温度升高，还是受到寒流和大气流动等其他因素的影响导致箱梁温度下降，除了在箱梁端部范围内温度会有明显的变化外，其余沿箱梁体纵向的温度分布是均匀的。

图5 I-I截面测点布设图

图6 II-II截面测点布设图

本文为了验证箱梁温度分布是否沿箱梁纵向也是一致，选取了如图4所示的I-I截面和II-II截面进行对比分析，图7示出了2010年8月2日的箱梁腹板和底板对应位置的测点温度变化规律的比较。

由图7看出，腹板和底板对应位置的测点的温度变化规律十分吻合，腹板温度差值不超过±0.9℃，底板温度差值不超过±0.5℃。上述结果表明箱梁沿桥梁纵向的温度分布是均匀的，可以认为，在误差许可范围内，沿桥梁纵向的温度分布是一致的。在进行箱梁温度场分析时，可将复杂的三维温度场转化为较为简单的二维温度场来进行处理分析，这在工程精度上可行的。

3.2 对全年观测结果的一般性分析

图7 2 0 1 0年8月2日对应测点温度变化对比

图8为腹板和底板沿板厚方向温差的全年观测结果。其中，正温差温度分布指的是箱外温度较箱内温度高的箱梁温度分布情况，负温差温度分布指的是箱外温度较箱内温度低的箱梁温度分布情况，而零温差温度分布指的是箱外温度与箱内温度基本处于一致的箱梁温度分布情况。

由图8可以看出，箱梁腹板和底板沿板厚方向日最大温差全年变化趋势基本一致。对于日最大正温差分布，全年无明显季节性分布，温差范围主要处于0～+5℃之间，其中2010年4月19日、2010年4月20日、2010年8月2日、2010年8月10日、2011年3月20日这5天的日最大正温差较明显，均超过了+4℃，最不利日正温差出现在2010年8月2日，腹板正温差达到+4.9℃，底板正温差达到+4.8℃；

对于日最大负温差分布，全年同样无明显季节性分布，温差范围主要处于-5～0℃之间，其中2010年4月2日、2010年4月22日、2010年12月15日、2010年12月16日、2011年3月15日这5天的日最大负温差较明显，均小于-3.5℃，最不利日最大负温差出现在2010年12月16日，腹板负温差达到-4.9℃，底板负温差达到-4.6℃。

3.3 对全年最大温差出现条件的一般性分析

图8 腹板和底板沿板厚方向温差的全年性观测结果

为了研究产生腹板和底板沿板厚方向最不利温差出现的环境条件，表1示出了上述日最大正温差超过4℃以及日最大负温差小于-3.5℃的观测日的环境状况，同时为了增强对比性，表中增添了温差在±1℃内的5个观测日的环境状况，即对箱梁几乎不产生影响的温度分布的环境状况。观测日的大气气温是由布置的温度传感器采集得到，观测日的风速和太阳辐射资料则是从福建省气象站获取。

由表1可以看出，对于箱梁腹板和底板沿板厚方向的最大正温差分布，一般出现在太阳辐射强烈，大气温度上升明显，风速较小，且为阴雨天过后的晴天天气；对于箱梁腹板和底板沿板厚方向的最大负温差分布，一般出现在太阳辐射微弱，大气降温幅度较大，风速较大的阴雨天天气；对于箱梁腹板和底板沿板厚方向的零温差分布，一般出现在太阳辐射微弱，且大气温度变化幅度不明显的阴雨天天气。

表1 选取观测日的环境状况

3.4 三种典型温度分布分析

根据全年观测结果，最不利正温差分布可以取2010年8月2日的温度分布形式进行分析，最不利负温差分布可以取2010年12月16日的温度分布形式进行分析,而零温差分布可以取2010年10月18日的温度分布形式进行分析。

3.4.1 最不利正温差分析

2010年8月2日天气状况是晴天，太阳辐射强烈，箱梁截面温度主要受太阳辐射的影响。腹板由于箱梁翼缘的遮挡作用全白天基本处于阴影中，仅受到太阳散射和地面反射的作用；箱梁底板全天只受到地面反射的影响。图9示出了I-I截面和II-II截面东西侧腹板及底板测点的温度变化规律。

图9 8月2日东西侧腹板和底板温度变化

从图9可以看出，在6:00以前，箱梁没有受到太阳辐射的影响，大气温度变化幅度较小，腹板和底板测点温度没有明显变化；在6:00～18:00之间，箱梁受到太阳辐射和周围大气温度升高的影响，腹板和底板测点的温度均有所升高，在14:00时，腹板和底板外表面的温度达到最大值；此后，太阳辐射强度逐渐减小到零，大气温度有所降低，所以靠近腹板和底板外表面测点温度开始下降，逐渐趋于平缓。靠近腹板和底板内表面测点的温度由于受外界影响小，全天温度处于缓慢的上升状态。在太阳辐射作用下，越靠近箱外，温度变化越剧烈，越靠近箱内，温度变化越缓和，腹板和底板沿板厚方向的正温差分布明显。在14:00时，东西侧腹板和底板的正温差均达到最大，分别为4.8℃、4.9℃和4.8℃，以上分析表明：最不利正温差出现在午间太阳辐射强烈，外表面温度达到最大时。

3.4.2 最不利负温差分析

2010年12月16日的天气状况是阴雨天，太阳辐射很弱，全天24h气温有明显下降，最低温度下降到5℃以下，属于典型的寒潮降温天气。由于太阳辐射很弱，箱梁主要是以与外界空气发生对流、热辐射交换为主，箱梁截面温度分布主要受寒潮降温的影响。图10示出了I-I截面和II-II截面东西侧腹板及底板测点的温度变化规律。

从图10可以看出，在10:00以前和16:00以后，箱梁主要受寒潮降温的影响，腹板和底板测点温度下降幅度较大。在10:00～16:00之间，大气的气温有所回升，箱梁外表面与大气的对流换热使腹板和底板测点温度下降幅度有所减小。在寒潮降温的影响下，靠近箱外表面的测点温度较靠近箱内表面的测点温度变化剧烈，腹板和底板沿板厚方向的负温差分布明显。在9:00时，东西侧腹板和底板的负温差均达到最大，分别为-4.9℃、-4.5℃和-4.6℃，以上分析表明：最不利负温差出现在寒潮降温后，气温回升前，外表面温度达到最低时。

3.4.3 零温差分析

2010年10月18日的天气状况是阴雨天，太阳辐射很弱，全天24h气温无明显变化。由于太阳辐射很弱，箱梁主要是以与外界空气发生对流、热辐射交换为主。图10～图11分别示出了I-I截面和II-II截面左箱东西侧腹板及底板测点的温度变化规律。

从图10和图11可以看出，全天24h腹板和底板测点温度的变化幅度较小，测点温度基本处于22..5℃～24.5℃之间，且全天箱梁腹板和底板的正负温差均很小，仅在±1℃以内，可认为此时腹板和底板的温度分布近似于零温差分布。

4 结语

(1)以福州地区的鳌峰大桥为对象，进行了为期1年的温度观测，积累了较宝贵的数据，对研究混凝土箱梁的温度分布提供了重要的数据支撑。

图10 1 2月1 6日东西侧腹板和底板温度变化

图1 1 1 0月1 8日东西侧腹板和底板温度变化

(2)沿混凝土箱梁纵向两个截面上对应位置测点的温度对比表明：对应位置测点的温度变化规律十分吻合，最大差值不超过±0.9℃,证明了箱梁沿桥梁纵向的温度分布是基本一致的，可近似将复杂的三维温度场转化为较为简单的二维温度场来进行处理分析。

(3)腹板和底板全年温度数据的对比结果表明：腹板最大正温差达到+4.9℃，底板最大正温差达到+4.8℃；腹板最大负温差达到-4.9℃，底板最大负温差达到-4.6℃，均不容忽视。

(4)全年最大温差出现条件的一般性分析表明：最大正温差分布一般出现在太阳辐射强烈，大气温度上升明显，风速较小，且为阴雨天过后的晴天天气；最大负温差分布一般出现在太阳辐射微弱，大气降温幅度较大，风速较大的阴雨天天气；零温差分布一般出现在太阳辐射微弱，且大气温度变化幅度不明显的阴雨天天气。

(5)三种典型温度分布分析表明：最不利正温差出现在午间太阳辐射强烈，外表面温度达到最大时；最不利负温差出现在寒潮降温后，气温回升前，外表面温度达到最低时。

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