预应力混凝土I型梁温度梯度分布规律

赵立财

1.台湾科技大学营建工程系，台湾台北10607

2.中铁十九局集团有限公司，北京100176

近年来，世界气候发生了显著变化，这种变化对交通运输系统产生了明显影响。已有研究表明，气候变化的过程中温差变化也更强烈、更持久、更频繁，温差会增加桥梁的应力集中，导致产生新的裂缝，降低桥梁的使用性、耐久性和结构的稳定性[1-2]。因此，分析已有研究和检查当前的设计标准显得非常重要。

桥梁结构经常暴露在环境温度下，混凝土桥梁在纵向、竖向和横向都会经历较大的温度变化。一般情况下，桥梁纵向温度被认为是均匀分布的，但在横断面上的垂直和横向方向温度是渐变的。在静定结构中，膨胀和纵向温度变化引起的收缩通常与伸缩缝有关；而在超静定结构中，纵向温度变化会产生一组自平衡应力[3-4]。当梁段表面的温度增加且结构尺寸较大时，在横截面内将产生非线性的温度分布，进而产生能够影响结构外观的自平衡应力。然而，工程中关注更多的往往是横向温度梯度。很多桥梁倒塌事件也说明掌握混凝土桥梁横向温度的分布显得尤为重要。值得注意的是，当梁一侧经太阳辐射温度增加并引起侧向弯曲时，会发生温度热传递现象，这会导致结构偏心，降低构件的横向稳定性。因此，本研究的主要目的是通过实验确定主梁横向和纵向的温度梯度变化规律。

当前我国设计规范中对温度梯度定律推导时，研究人员通过对箱梁截面的温度进行监测，确定主要的温度输入源为梁顶太阳辐射，并指出，相比垂直温度流，横向温度流可以忽略。为了量化基于单向温度流分析所得自平衡应力，研究人员开发了一种通过使用第五阶曲线来表示垂直温度梯度的温度分布模型[5]。其确定了3个主要对温度的影响因素，即风速、环境温度在箱梁中产生的温差、黑色的桥面。而由于我国气候条件多样化，在对设计规范中梁体横截面温度梯度标准修正时应将不同地理位置的气候条件、截面形状以及材料特性，纳入到梁体混凝土温度分布规律确定的重要影响因素当中。

在公路桥涵设计通用规范(JTGD60-2015)中指出，如果裸铅温度探测器钻孔总深度小于400 mm，则温度探测器埋入梁体的实际深度为距离混凝土表面的孔深减去100 mm。另外据盛兴旺等[6]的研究可知，许多因素对混凝土的温度性能都有影响，但这些性质不足以显著影响温度梯度。因此，即使在本研究中使用来自不同场地的混凝土梁段进行实验，也不会影响温度监测结果。

1 实验设计

桥梁结构有3个主要温度传导机制，即直接太阳辐射、周围空气温度的对流以及地面太阳光反射，其影响梁段不同深度和宽度的温度变化，桥梁结构温度传导机制如图1所示。

图1 传温度机制

把某桥的2个预应力混凝土I型梁的截面分别放置于黄家村试验场(截面1)和御景垄谭家村试验场(截面2)，对I 型梁的截面1和截面2进行探温器布置，I型梁截面尺寸及探温器布置如图2所示。每节段I型梁体需设置29个探温器，其中有12个探温器位于横截面内部中心呈工字形分布，与之相对应的节段梁体中部翼缘板与腹板的外表面布设有17个探温器。如此选择测量位置的目的是要全面了解垂直和横向的温度梯度。本次实验数据记录时间为2019年4 月—2020年1月。

图2 I型梁截面尺寸及探温器的布置形式

1.1 仪器仪表和温度测量

对于内部探温器，首先需在裸铅探头上涂覆环氧树脂，以防止水分作用引发探头故障。然后将探温器连接到钢筋框架上，放置探温器时需注意不要让探头和钢筋之间发生接触，从而避免对温度读数产生影响。另外，为提供备份选项，应在每个位置放置2个探头。对于表面探温器的放置，传统方法是将裸铅探温器放置在梁段的表面上并用EP氧腻子固定在适当位置，这些探针受环境空气中温度的影响较大；本文采用方法是以3.175 mm 直径的小孔钻入混凝土表面约12.7 mm深，再将裸铅探温器置于这些孔中，并用EP 氧腻子封堵钻孔并固定。这种方法能避免探温器受环境空气温度影响，提供更准确地读数，以期减小误差。

1.2 应变测量

在梁段的2个表面设置可拆卸的机械应变点。在空间允许的情况下，在每根梁的南侧面四点网格上布置应变计。早晨的读数被认为是零膨胀状态；之后随着温度上升，认为是膨胀状态；待午夜温度降低后认为是收缩状态。使用已知的量规长度和测量点之间距离的变化来计算应变百分比；采用典型的温度膨胀系数为9(-6℃)的混凝土，估算膨胀后的温升，并与同一时间段的实测温升进行比较。应注意的是，在比较横梁表面上的膨胀读数与内部温度时会存在一些固有误差，因为需要假定温度在横向上恒定不变，虽然实际情况并非如此。然而，这种比较仍然能够给出较为合理的温度梯度。

所有探温器被放置在每个区段之后，连接数据采集系统，以10 min 的间隔记录读数。数据大约以2周的时间间隔上传。系统的持续运行由太阳能供电支持。由于维护或暂时失去电力，在数据收集上可能存在一些间隙，这些数据间隙并不影响本研究的结果或结论。图3给出了完整的梁段仪表的布局情况。为尽可能地模拟桥梁的实际现场条件，将梁体放置在支承垫块上，以防止地面对其产生任何影响，并允许空气在梁体下面流动，这与实际的桥梁结构形式完全相同。为防止过度的地面太阳反射，在每一梁段下方放置一块深色反射板。在砌体支撑和梁之间放置温度传导系数低的木材，防止温度损失或两端的增益，并用聚苯乙烯泡沫板连接到每个段的末端。梁体起重吊点安装具有绝缘的提铁(吊钩)，以减轻潜在的温度梯度效应。

图3 梁段监测设备布局

在2个试验地点，主梁放置方向都为东—西向。以往的研究表明，这种取向会产生最大的垂直和横向温度梯度。具体来讲，当只有梁的一侧暴露于太阳下，这种取向对横向温度梯度影响最大。由于环境数据没有直接收集，为了分析导致最极端温度梯度的环境条件，从附近的国家海洋和大气管理局站收集气象数据，包括最大和最小日气温、平均日风速和降水量，地面太阳辐射读数从气象站获取。

2 温度梯度数据分析

2.1 实测垂直温度梯度与修正

温度读数以10 min 为周期连续采集10个月。探温器中心垂直线上的最高和最低温度读数之间的差值为最大垂直温度梯度。最大垂直温度梯度值如表1所示。由表1可知，实测最大温度梯度发生在9月22日下午1:00，温度梯度为27.6℃，这是因为当天风速较低，环境温度变化大。然而，根据当地部门的天气记录资料，最大太阳辐射的时间约为6月29下午2:00左右，观察到的当日最大垂直温度梯度值为26.0℃。

表1 最大垂直温度梯度测量数据

这说明极端温度不一定产生最极端的垂直温度梯度。探温器中测量的数据将表明，极端温度梯度的发生从来不与极端温度事件相随，由此可知温度梯度与极端温度也是不相关的。这一结果可为今后的桥梁梁体结构设计提供有利的参考依据，极端温度梯度与极端温度因素不是关键的设计条件。

本研究中，I型梁体截面V 型区段(部位)的温度梯度数据在2019年9月—2019年11月期间变化不大。2019年11月23号12:00 梁体截面不同深度的温度变化如图4所示。

图4 钻孔中的裸铅探温器温度变化

由图4可知，内部探温器显示了梁中温度分布的更精确图像；因为表面探温器易受周围空气温度的影响，无法捕获实际的表面温度。探测器温度记录变化很大，在这一天I型梁体截面V 型区段（部位）中的监测数据中观察到最大的垂直温度梯度与常用规范中的规定不同，常用规范中的垂直温度梯度需参考图4右侧进行修正。此处的研究目是为在进行混凝土构件设计时，根据探测的极端高温和极端低温值的温差数据，确定是否需要调整温度系数的取值[7]。

2.2 实测横向温度梯度与修正

主梁南面暴露在阳光下，整个北面被遮蔽，所有的试件都定向于东—西向。表2列出了2019年6月—2019年11月实验场地的最高和最低温度的日期以及横向温度梯度数据，由历史记录可知，2019年6月—2019年10月有90 d 以上的日记录高点（32°C及以上），梁体最大横向温度梯度为2019年10月14日（如表2所示）。说明最大横向温度梯度只有在夏季和秋季的月份才会出现。从梯度样本可以发现，黄家村试验场6月和7月的最大横向梯度分别发生在6月10日和7月27日，8月份的最大横向梯度发生在8月25日。

表2 观测到的最大横向梯度日的环境条件

在大多数情况下，低风速也会导致较大的温度梯度的产生。由记录可知，虽然10月、11 月的环境风速比6月—9月高很多，但是6月—9月的高温度范围远高于10月、11月。基于应变读数的理论温升与I型梁体在同一时间的实测温升进行了比较，如图5所示。发现横向温度梯度与垂直梯度变化趋势相同，说明I 型梁体截面的V 型区段（部位）经历了类似垂直温度梯度变化过程，观察到最大横向温度梯度与垂直温度梯度形态较接近。

实测结果表明，在梁的上部测量结果能够与规范和理论预测值很好地匹配，在下部稍有偏差。通过南昌市黄家村试验场和御景垄谭家村试验场2个梁体截面的现场实测，测得的截面不同区段(部位)最大温升位置是一致的。但是在梁体混凝土外表面上采取膨胀读数，并与梁段中部的内部探温器进行比较时，这2个场地的梁体混凝土面的温度梯度之间存在一定偏差。

图5 从应变读数得出理论温升与试验场实测温升比较

2.3 测量梯度与梯度模型的比较

Jong-Han Lee[8](李氏方法)提出了I型梁体混凝土受太阳辐射热量影响条件下不同深度的垂直温度分布值，图6给出了I型梁体截面V 型区段的《公路桥涵设计通用规范》、李氏方法以及实验实测三者间垂直温度梯度差异对比情况。

图6 不同方法截面垂直温度梯度比较

由图6垂直温度梯度对比结果可知，设计规范、李氏方法与实验中实测值存在一定差异，其中I型梁底翼缘板截面V 型区段测得的温度差异高，其原因是由于在秋季垂直面太阳照射角度较小和阳光直射更多[9-10]。

在我国的公路桥涵规范中并没有给出用于混凝土桥梁的稳定横向温度梯度，但是李氏方法[8]给出了这一温度梯度值。为了比较实测与李氏方法的差异，图7中同时给出I型梁体翼缘板截面V 型区段多个工况下李氏温度梯度与实测横向温度梯度值。

图7 实测与预测截面横向温度梯度比较

由图7分析结果可知，在所有的顶部翼缘板截面不同位置的横向温度梯度呈下降趋势，温度的改变量幅值非常相似，其原因在试验场于10月中旬观察到的昼夜温差最大[11-12]。

3 结论

1)通过自然条件下混凝土I型梁的温度试验发现，现行的设计标准不能准确地预测混凝土I型梁截面竖向温度梯度。具体而言，当考虑具有比顶缘更宽的底部凸缘的梁时，规范中对垂直梯度在大小或形状上的规定不准确。另外，缺少对截面横向温度梯度的规定。

2)在考虑温度梯度时，极端温度未必是临界设计条件。而较大的日温度变化、低风速是重要的影响因素。

本研究的一个初步假设是在桥面铺装之前，预制成型的混凝土I 型梁会出现极端的垂直和横向梯度。这一假设有待进一步研究。另外，过大的表面积通过吸收太阳辐射会造成较大的垂直梯度。本文的研究成果有益于我国《公路桥涵设计通用规范》对I 型梁体截面温度梯度规定内容的修正。