温度场对混凝土桥梁的影响研究

(重庆交通大学 重庆 400074)

一、引言

长期暴露在自然环境中斜拉桥的斜拉桥，无时无刻不受到日照、骤然降温、风等气候因素的作用。由文献可知这些因素一方面产生锈蚀、渗透作用，直接影响结构的耐久性：另一方面通过改变体系或结构的温度分布，产生由温度变化和温度分布不均匀而生成的温度内力，有时这种温度内力达到甚至超过了恒载或活载产生的内力，严重影响桥梁的安全性和稳定性。

混凝土桥梁因受气候条件的变化而产生的温度场效应主要可归纳为日照、骤然降温、年温度变化等三个方面的影响。年温度变化指的是常年缓慢变化的年气温过程，此时结构的温度场可以看作均匀分布。由日照辐射和寒流导致的骤然降温，属于局部时刻温度影响，导致结构各部分的温度差异和截面的不均匀温度分布，从而产生温度内力和温度应力，也是产生桥梁结构裂缝的最主要因素。而日照主要影响因素是太阳辐射，会使结构产生“背日葵”效应，从而引起结构的变形。所以温度场对混凝土桥梁的影响亟需要研究。

二、国内外研究现状及发展趋势

(一)国外研究

国外对温度场的研究最初是从上世纪中叶开始的。起初，温度研究都是假定温度沿梁高为线性分布，研究气温、风速、太阳辐射等参数对温度分布的影响。美国zuk[1](20 世纪60 年代)指出气温、风、太阳辐射和材料种类会影响桥梁的温度分布，并在实桥观测的基础上，用线性温度分布分析结合梁的温度应力。英国Emerson[2](20世纪60年代)提供了基于一维热流模型的研究结果，内容包括几个重要参数对温度分布的影响及温度分布的形式。研究表明，太阳辐射是最首要的影响因素，太阳辐射能量引起的温度变化主要取决于发射率和物体表面吸收系数，但发射率对接收到的辐射量的影响较小；第二个重要参数是风速，它直接影响着物体表面的热对流系数。之后，许多学者开始对非线性温度场进行研究，对非线性温度场的分布模式进行了大量的研究。

(二)国内研究

国内对于温度场和温度应力的研究始于20世纪50年代末。主要研究内容可以概括为温度分布的研究、温度模式的简化以及温度效应的计算。七十年代以后，以刘兴法[3]为代表的一大批学者对预应力混凝上箱梁桥温度应力进行了深入的研究，并取得了一系列重要的成果，使箱梁温度应力计算理论逐步完善起来。刘兴法结合实测数据，系统的论述了混凝土结构在温度作用下的计算理论与方法。对混凝土结构日照温度作用、降温作用进行了分析，将箱梁的温度场简化为二维温度场，按叠加竖向和横向的一维温度场的计算方法计算温度应力，此方法被铁道部于1984年6月纳入铁路桥涵设计规范(TBJ2-85)。上海城市建设学院对混凝土斜拉桥桥塔的温度场作了研究，运用富里埃传导理论，建立了混凝土斜拉桥结构的温度场的二维差分方法，将温度影响的计算简化为短期温差和长期温差作用下的控制温度荷载的计算问题。近几十年来，随着我国交通事业的快速发展，越来越多的学者对温度场及温度效应问题进行研究。

叶见曙[4](2002)对南京二桥北汉主桥大跨度连续箱梁桥进行温度场观测，分析认为温度分布可用指数函数表示。

郭棋武[5](2002)在武汉市江汉四桥施工过程中进行了温度分布观测。在实测资料的基础上对温差公式进行参数识别，将理论计算结果与实测资料进行比较，验证了非线性温度梯度模式的合理性。

(三)研究目标

(1)探讨温度场的影响因素。

(2)探讨温度场的分类和特点。

(3)借鉴国内外对桥梁温度场的研究分析温度场对混凝土的桥梁的不利影响及解决措施。

三、温度场分类和特点

(一)日照温度荷载

桥梁结构的同照温度变化复杂，影响囡素也众多，主要包括以下几个方面：太阳的直接辐射、日照强度、天空辐射、地面反射、风速、气温变化以及地理位置、方位和结构物壁板的朝向、所处地的地形地貌条件等。因此，日照温度变化引起工程结构的表面和内部温度变化是一个随机变化的量。结构表面温度变化具有十分明显的谐波曲线特性。其中不仅有太阳辐射引起的局部性，而且有混凝土的不均匀热传导性。因而难以直接求得其函数解，只能进行近似的数值解。

(二)骤然降温温度荷载

骤然降温温度变化可分为两种情况：一是工程结构在冷空气侵袭作用下，结构外表面迅速降温，结构中形成内高外低的温度分布状态；二是日照降温，由于日落等因素的影响导致桥梁结构外表面的温度急速下降，桥梁结构内表面温度几乎没有变化，因而形成比较大的内高外低的温差状态。这两种降温温度变化，一般只要考虑风速和气温变化这两个因素，而忽略日照辐射影响。

(三)年温度荷载

混凝土桥梁，由于年温变化是长期而缓慢作用的，使得桥梁结构整体发生比较均匀的温度变化。所以，在考虑年温温度变化对混凝土桥梁结构的影响时，一般都以混凝土桥梁的平均温度为依据。一般规定以最高和最低的月平均气温的变化量作为年温变化幅度。

四、温度场对混凝土桥梁的影响及措施

(一)不利影响

在日照温度、骤然降温等环境因素作用下混凝土结构可能会出现裂缝，长久情况下因为混凝土会受到温度效应的影响，如果温度过高，混凝土材料会发生膨胀情况，导致混凝土桥梁结构发生破坏，最终在混凝土桥梁表面出现裂缝情况，同时如果温度过低，混凝土就会出现收缩反应，从而在桥梁结构中产生一定的收缩应力，收缩应力如果长期在桥梁结构中进行作用，就会导致桥梁整体出现变形的情况。如果白天和夜晚温度差值较大，桥梁结构就会因为昼夜温差出现疲劳反应，降低桥梁的使用寿命。如果混凝土桥梁表面长期在集中应力作用下，就会降低混凝土桥梁的结构性能，最终使混凝土桥梁的稳定性和安全性遭到破坏。

(二)解决措施

综上所述，如何有效防止温度效应对桥梁结构的影响是桥梁设计中首先考虑的问题，从而有效保障混凝土桥梁的安全性和稳定性。在混凝土桥梁设计中应该分析桥墩温差效应、温差应力非线性分布问题、桥面及墩地固定的约束力等，从而提高混凝土桥梁抗温度效应的能力，提高桥梁结构的稳定性和使用期限。

(1)在混凝土桥梁表面涂一层抗太阳辐射的涂料或者降低温度影响的涂料。

(2)避免在最不利温差的条件下进行施工。