温度效应

连续刚构桥合拢温度与设计温度不相匹配的合理温度选择

合理的合拢温度选择对采用悬臂浇筑施工预应力混凝土连续刚构桥顺利完成体系转换意义重大。

温度是影响主梁挠度的主要因素之一。温度变化主要包括季节温度变化和日照温度变化两个部分。季节温差一般假定整个桥梁结构的温度变化是均匀的,它对主梁的挠度影响比较简单,通过一般的结构分析程序即可计算,对于日照温差,则较为复杂,它对箱梁内力与挠度的影响现在还没有一个统一的计算模式,一般是通过在墩和主梁埋设温度传感组件,实测获得一个较为符合实际的温度场,再进行平面有限元分析和空间有限元分析。

温度影响一般包括两部分,年温差影响与局部温差影响。年温差影响是指气温随季节发生周期性变化时对结构物所引起的作用。对于连续刚构桥,由于温度变形受到约束,年温差影响将引起结构内温度次内力。年温度变化引起的结构内力计算比较简单,且这一因素在工程设计中早已被考虑。局部温差影响主要指日照温差和聚然降温。由于混凝土的热传导性能较差,日照温差大且分布呈非线形,故研究混凝土桥梁温度效应的关键在于确定结构最不利的温度分布。连续刚构桥由于日照温差的影响,不但引起结构的变形,而且引起较大的温度次应力和温度自应力日照温差荷载对结构的影响,往往不亚于车辆荷载产生的效应,而我国公路桥涵设计规范中温差荷载的计算值偏小,故必须对日照温差分布及其温度效应作进一步的研究。

混凝土结构的温度场

混凝土桥梁在施工过程中以及竣工以后,某一时刻结构内部与表面各点的温度状态即温度场。由于日辐射强度、桥梁方位、日照时间、地理位置、地形地貌等随机因素的影响,使结构表面、内部温差因对流、热辐射和热传导方式形成瞬时的非均匀分布。由于混凝土的导热系数较小,在外表温度急剧变化的情况下,内部温度的变化存在明显的滞后现象,导致每层混凝土所得到或扩散的热量有较大的差异而形成非线性分布的温度场。实际上,桥梁结构为三维热传导问题,是空间坐标和时间的函数,温度场通常用T=f(x,y,z,)t表示。

混凝土桥梁结构温度场的分布特点及其温差分布

桥梁构件的构造对温度分布有明显的影响。以往现场实测资料分析表明：在桥长方向的温度分布一般总是很接近的,可以略去桥长方向温差的微小影响,在梁高较小时,垂直方向的热传导远远大于水平方向,往往可以略去水平方向很小的热传导作用,近似用垂直方向的一维热传导状态来分析,对于梁高较大的箱梁,若忽略角隅区附近的复杂热传导状态,则可近似的用垂直和水平两个方向各自的一维热状态分别计算,然后再迭加起来。在我国现行公路桥梁规范中,T形截面连续梁只考虑了沿截面垂直方向的一维热传导问题,从而使问题简化为一维温度场的确定,即T=f(y,t)。

最大的温差分布是确定温度作用的关键,基于弹性力学温度场理论和现场实测结果,国内外普遍采用指数变化的温差变化模式。通过现场全天24小时跟踪实测,获得桥梁结构不同时刻的结构真实温度场,采用指数函数曲线模拟结构的温差分布,即：

T?y??T0ye?cyy （1）

式中：T（y）一 箱梁顶底的温差,由现场实测确定

C y 一指数系数,由实测温度场拟合成指数函数曲线而确定的参数

连续刚构桥在施工过程中的温度效应分析

为了对连续刚构桥在施工阶段的箱梁温度效应进行分析,对桥进行两次全天24小时温度、应力及位移观测。为了有效地观测到因温度荷载而产生的结构反应,时间选在昼夜温差较大的晴天气候,并要求在观测时间内无任何施工作业以保证观测到的是在同一工况下的温度效应。温度效应观测全天共进行12次,每2小时一次,试验人员共分为3组,要求每次观测时间不超过10分钟,以保证各试验数据基本上是在同一时刻测得的。

通过实测温度场和观测到的结构反应,对连续刚构桥在施工过程中悬臂结构进行日照温差效应分析。

合拢温度的合理确定

年温度变化是一种长期缓慢的作用,所以在考虑温度变化对结构物的影响时,均以结构物的平均温度为依据。根据《公路桥涵设计通用规范》，混凝土结构一

般按当地月平均最高和最低气温为年温度的变化幅度。外界气温一般取一月份的平均气温作为最低气温,取七月份的平均气温作为最高气温。均匀的温度变化幅度与桥梁所在地区的自然条件,结构的材料,截面形状和尺寸等因素有关系,它应以结构合拢时的温度为初始值,计算分最高计算温度和最低计算温度两种情况,即温度变化有升温和降温两种情况。由于预应力混凝土连续刚构桥为墩梁固结的超静定结构,年温差影响通常使结构产生较大的次内力,并且一般成为结构设计的控制荷载。当合拢温度较高时,降温引起的次内力较大,其影响还与混凝土收缩的影响相同,两者叠加将产生较大的次内力。所以一般不宜在温度变化较大和高温时进行合拢,这是超静定刚架桥施工中必须考虑的一般原则。

连续刚构桥年温差荷载将使结构产生较大的内力,不同的合拢温度对结构内力影响极大,但它通常对于主梁正常使用极限状态最不利组合应力不产生影响,不是主梁设计的控制荷载,对于薄壁墩以及与墩相连的桩,不同的合拢温度将使墩桩的关键截面的最不利应力发生变化。故合拢温度对于连续刚构桥设计的影响主要是对薄壁墩与桩等有关控制截面最不利组合内力的影响。

年温差荷载中温升荷载对墩桩控制截面的最不利组合应力影响较小,它主要由温降荷载控制,故合拢温度越低,对墩桩受力越有利,随着合拢温度的升高,它将使墩桩有关控制截面产生较大的拉应力和压应力,从而使结构受力越不利。故在可能的情况下,尽量选择低温合拢,合拢温度越高,结构受力越不利。

混凝土箱梁的温度梯度

《 公路桥涵设计通用规范》（J T G D60 -2004 ）（ 简称公路 04 规范） 中， 对桥梁结构梯度温度作出了规定：

计算桥梁结构由于梯度温度引起的效应时，可采用如图所示的温度梯度曲线，桥面板表面的温度T1规定见04桥规。对于混凝土结构，当梁高 Ｈ＜400mm 时， A=H－100mm； 当梁高H ≥ 400mm 时，A=300mm。

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竖向温度梯度（ 单位：mm ）

温度场研究中存在的问题

国内外学者在混凝土箱梁温度场的研究方面作了大量的工作,但是由于影响混凝土箱梁温度场的因素太多、造成了研究工作上的很大困难,仍存在较多问题没有很好的解决,主要体现在以下几个方面。

(1)混凝土箱梁温度场的观测

(2)混凝土箱梁的温度作用代表值

(3)桥墩温度场与温度荷载模式的研究匾乏

(4)国内外对混凝土桥梁的负温度梯度的研究较少

高温条件下合拢应采取的施工措施

连续刚构桥实际合拢温度高于设计合拢温度时，合拢温差将使墩顶产生水平位移，导致结构产生温度附加内力,可通过施加水平顶推力来消除合拢温差的不利影响，殷灿彬依托龙潭河特大桥为工程提出了两种关于顶推力的计算方法：1)消除墩顶水平位移法；2)消除主梁拉力法。按上述两种方法分别计算了高温合拢时的水平顶推力，通过分析比较，两者的计算结果基本一致。表明两种计算方法均可行，并且消除主梁拉力法更为简单快捷。

对于墩梁固结的连续刚构桥来说 ,在环境温度变化时 ,由于梁的纵向伸长或缩短 ,不仅使主墩产生偏位 ,而且在梁、墩中将产生较大的温度应力。在桥梁结构设计规范中,对均匀温度作用有着明确的规定。当实际合拢温度高于设计合拢温度时,成桥后因降温将导致主梁缩短、墩顶产生由河岸往河中心方向的水平位移,主梁及桥墩将产生温度附加内力。若温度附加内力过大、超出设计容许的范围,将影响结构安全。为了消除高温合拢的不利影响,可在连续刚构桥合拢时对梁

体施加水平顶推力,基本上抵消因合拢温差引起的结构位移与内力,使得成桥后结构使用状态下的内力处于合理范围,确保桥梁使用安全。

龙潭河特大桥是沪蓉高速湖北宜昌至恩施沿线上的一座特大型桥梁 ,其主桥结构形式为预应力混凝土连续刚构体系 ,跨径组合为 106 m+ 200 m+ 200 m+ 200 m+ 106 m。桥面总宽度 25 m,设计为双幅 ,单幅箱梁顶面全宽 12.5 m、底面全宽 6.5 m。梁体采用 1.8次抛物线变截面分离矩形箱梁 ,梁高从跨中 3. 5 m渐变至墩梁固结处的 12 m;腹板厚度从跨中 0.40 m渐变至墩梁固结处的 0. 70 m;底板厚度从跨中 0.32 m渐变至墩梁固结处的1. 10 m; 顶板厚度 0. 28 m。主桥桥墩为钢筋混凝土结构 ,采用双肢变截面矩形空心墩 ,肢间净距 9 m;其中最高墩高达 178 m,为同类型桥梁中世界最高 (见图 1)。主墩承台厚 4 m,基础为 2. 4 m直径的钻孔灌注桩。主梁混凝土采用 C55号 ,墩身混凝土为 C50号 ,承台和基础混凝土采用 C30号。

主桥箱梁采用悬臂浇筑法施工 ,合拢顺序为： 先合拢中跨 ,后同时合拢两个次中跨 ,最后合拢边跨。

计算工况

龙潭河特大桥主桥设计合拢温度为 ( 15 ± 5)℃.按照实际施工进度,主桥的合拢时间为 2008年 7月～ 8月。跟据当地往年气象资料,合拢期间的气温一般高于设计合拢温度 ,主桥实际合拢温度控制在设计范围内比较困难 ,因此必须考虑合拢温差的影响。为了确定合拢时施加于梁体的水平顶推力 ,本研究考虑了如下 3种工况的影响。

工况 1 ： 假定主桥每跨实际合拢温度为 25 ℃ ,比设计合拢温度高 10 ℃。

工况 2 ： 假定主桥每跨实际合拢温度为 30 ℃ ,比设计合拢温度高