作者：李庶安 章清濤 魏琨 張柳煜 王治國 魏亞山東高速股份有限公司 長安大學(xué)橋梁與隧道陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 清華大學(xué)土木水利學(xué)院

　　摘 要：為研究大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋在實(shí)際服役環(huán)境下頂板、腹板和底板隨時間變化的溫度分布狀況，通過埋設(shè)傳感器，對依托工程橋梁在日照作用下的溫度場分布做了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明:在高溫、風(fēng)速較小的天氣情況下，箱梁混凝土溫度變化不同步，從外到內(nèi)依次延后，溫度達(dá)到極值的時間依次滯后;混凝土的內(nèi)部溫度變化情況最小，箱梁底板和頂板位置會出現(xiàn)豎向溫差，腹板位置會出現(xiàn)橫向溫差，并且豎向溫差也會出現(xiàn)在沿腹板的豎向位置。

　　關(guān)鍵詞：大跨徑;溫度分布;溫度場;試驗(yàn)研究;日照作用;

　　混凝土的溫度會隨著環(huán)境溫度的改變而改變，同時混凝土導(dǎo)熱性能差，其溫度變化相較于環(huán)境溫度變化在時間上存在著滯后性，同樣混凝土表面和內(nèi)部的溫度也存在滯后性?；炷帘砻媸墉h(huán)境影響最大，一旦環(huán)境溫度升高，混凝土表面溫度會隨著升高，但由于混凝土的導(dǎo)熱性能差，導(dǎo)致了內(nèi)部混凝土溫度變化緩慢，從而造成了混凝土表面和內(nèi)部具有較大的溫度差，使得在截面的不同高度處溫度不同，進(jìn)而在截面上產(chǎn)生了溫度應(yīng)力，這是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)在支座等邊界條件的約束下，由于溫度的變化而造成熱脹冷縮使結(jié)構(gòu)不能自由變形而產(chǎn)生的溫度應(yīng)力。近年來對這方面的研究也不少，黃全成等人對高速磁浮大型箱梁日照溫度效應(yīng)進(jìn)行了分析，吳清偉等人進(jìn)行了了日照下混凝土箱梁溫度場數(shù)值分析研究，姚彬等人研究混凝土箱梁日照溫度效應(yīng)，張欣等人研究了高速鐵路簡支箱梁日照溫差的變化規(guī)律。有研究表明，日照會使施工中的橋梁溫度應(yīng)力超過荷載應(yīng)力。有工程實(shí)例表明，溫度應(yīng)力是導(dǎo)致橋梁等大型混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的重要原因。因此，研究混凝土結(jié)構(gòu)的溫度場分布顯得尤為重要。研究資料表明，在日照溫度影響下，沿橋梁縱向溫度是均勻變化的，太陽輻射在橋梁縱向可以認(rèn)為是近似不變的，所以太陽輻射條件下主要在箱梁豎向和橫向存在溫度梯度。因此，我們重點(diǎn)在箱梁截面橫橋向和豎橋向布置溫度傳感器來觀測在日照條件下箱梁溫度場的變化。

　　1 試驗(yàn)概況1.1 依托工程

　　該橋主橋?yàn)閼冶凼┕さ拇罂缍阮A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，主橋共三跨，主跨130m，邊跨75m。主橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)的單箱三室的箱梁橋，主橋橋墩采用端部為圓形的矩形墩，主橋邊墩及引橋橋墩采用矩形墩，承臺均為樁基礎(chǔ)。

　　該橋位于濟(jì)南市城區(qū)東北方向，橋址處的緯度處于中緯度，因?yàn)樘栞椛?、大氣環(huán)流和地理環(huán)境的影響，本地氣候特點(diǎn)是:季風(fēng)明顯，四季容易區(qū)分，冬天冷夏天熱，雨量相對集中。

　　1.2 試驗(yàn)裝置

　　試驗(yàn)裝置主要包括用于測試的MWY-FBG-TJ型光纖光柵式溫度傳感器、用于采集監(jiān)測的36通道光纖光柵激光解調(diào)儀和配套的FBG解調(diào)儀監(jiān)測軟件。測試裝置選擇MWY-FBG-TJ型光纖光柵式溫度傳感器，其可以對結(jié)構(gòu)表面及內(nèi)部進(jìn)行溫度測試，也可以用來測表面的溫度以粘附在被測物的表面的方式或者是埋在被測物體內(nèi)。

　　試驗(yàn)所采用的光纖光柵傳感器，具有以下優(yōu)點(diǎn):

　　(1)抗電磁干擾能力強(qiáng);

　　(2)測量精度高，質(zhì)量輕等特點(diǎn);

　　(3)可實(shí)時在線監(jiān)測。

　　采用可以在一根光纖中串接多個光纖光柵溫度傳感器的波分復(fù)用技術(shù)，這種技術(shù)可進(jìn)行分布式測量，很適用于橋梁結(jié)構(gòu)，并且可利用監(jiān)測系統(tǒng)長期觀測。

　　采集監(jiān)測裝置采用36通道的解調(diào)儀，并用光纖數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行控制，后續(xù)在遠(yuǎn)程客戶端進(jìn)行連續(xù)不斷的監(jiān)測。

　　光纖光柵溫度傳感器、36通道光纖光柵激光解調(diào)儀和配套的FBG解調(diào)儀監(jiān)測軟件如圖1～圖3所示，溫度傳感器現(xiàn)場安裝如圖4所示。

　　圖1 光纖光柵溫度傳感器 下載原圖

　　圖2 光纖光柵傳感器激光解調(diào)儀 下載原圖

　　圖3 FBG解調(diào)儀監(jiān)測系統(tǒng)軟件 下載原圖

　　圖4 箱梁現(xiàn)場布設(shè)的傳感器 下載原圖

　　1.3 試驗(yàn)方案

　　選擇右幅橋梁，傳感器截面布置在12#墩中跨方向，為12號墩懸臂根部，中跨1/4處和中跨1/2處。對于溫度場的測試，選擇懸臂根部截面和中跨1/4截面進(jìn)行測試。小清河特大橋主橋傳感器觀測截面位置如圖5所示。

　　圖5 觀測截面位置圖 下載原圖

　　測試截面共布置19個測點(diǎn)，截面較厚的位置處進(jìn)行加密，具體布置方法是:

　　頂板位置:在頂板的南北方向各布置一處，溫度傳感器和應(yīng)變傳感器沿頂板厚度方向呈上中下依次安放排列。

　　腹板位置:南側(cè)外腹板和北側(cè)外腹板在腹板高度中間位置呈外中內(nèi)方向依次布設(shè)三個溫度傳感器和一個應(yīng)變傳感器，中腹板在腹板高度中間位置布設(shè)一個溫度傳感器和一個應(yīng)變傳感器。

　　底板位置:三個溫度傳感器被分布在兩個箱室底板位置處，位置為沿高度方向呈上中下。應(yīng)變傳感器被設(shè)在兩側(cè)腹板與底板相交的地方。

　　兩個觀測截面在箱梁高度方向和寬度方向都布設(shè)了溫度傳感器，主要來測試箱梁橫橋向和豎橋向的溫度梯度變化情況。此外，分別在懸臂根部和中跨1/4處設(shè)置了用來進(jìn)行溫度檢測的測試截面，目的是對比分析兩個截面上溫度數(shù)據(jù)差異情況，以便觀察橋梁在日照條件影響下，橋梁縱橋向箱梁截面的溫度變化情況。觀測截面具體的傳感器布置如圖6和圖7所示。

　　圖6 懸臂根部位置傳感器布置圖 下載原圖

　　圖7 中跨1/4位置傳感器布置圖 下載原圖

　　2 數(shù)據(jù)分析

　　太陽輻射作用是結(jié)構(gòu)物熱交換主要來源，也是混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫差荷載的主要因素。研究混凝土溫度場的正溫差一般選擇太陽輻射較強(qiáng)，熱交換效率比較高的高溫、清空萬里的天氣情況下進(jìn)行。因此為了研究日照作用下混凝土連續(xù)箱梁橋內(nèi)部的溫度變化規(guī)律及其在結(jié)構(gòu)中的分布形式，特定選取了炎熱夏季。由于測試時間段很多，數(shù)據(jù)量內(nèi)容龐大，本部分僅選取了08月17日到08月19日兩天的數(shù)據(jù)，這兩天天氣情況良好，清空萬里，風(fēng)速較小，氣溫變化平穩(wěn)，所以選擇這兩天的數(shù)據(jù)分析混凝土內(nèi)部溫度場變化規(guī)律。

　　2.1 箱梁頂板溫度場變化規(guī)律

　　太陽直射梁頂板上緣的全部，故頂板長期處于輻射吸熱的熱量傳遞狀態(tài)下，頂板升溫最快。但是，由于混凝土的熱傳導(dǎo)系數(shù)小，熱量傳遞滯后，導(dǎo)致頂板豎向方向溫度變化不一致。因?yàn)轫敯宓暮穸群蛡鳠崦娣e等原因，使這種溫差在頂板和腹板和底板位置上有差異。

　　現(xiàn)選取08月17日上午11時到08月19日上午11時兩天的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。箱梁頂板豎向溫度變化規(guī)律如圖8所示。

　　圖8 箱梁頂板豎向溫度變化規(guī)律圖 下載原圖

　　圖8直觀地表現(xiàn)出了8月17日到8月19日這兩天的頂板溫度變化情況，從圖中們可以看出，

　　(1)頂板溫度變化均呈正弦曲線式周期變化，其溫度變化規(guī)律接近環(huán)境的變化規(guī)律，但是頂板的溫度變化呈現(xiàn)滯后，而且在豎向方向上頂板不同位置處的溫度存在差異。

　　(2)太陽出來后，頂板被太陽直射，其內(nèi)部溫度升高，在18:00左右，板上表面位置溫度達(dá)到最大為36.5℃;在20:00左右，板中部混凝土溫度達(dá)到最大為31.1℃;在23:00左右，板下部混凝土溫度達(dá)到最大為38.8℃。

　　(3)夜間氣溫降低，導(dǎo)致頂板溫度也下降，因?yàn)榛炷羵鳠嵝阅懿?，頂板溫度滯后環(huán)境溫度變化。在06:00左右，環(huán)境溫度達(dá)到最低;在08:00左右，頂板上表面溫度最低，為24.6℃;在11:00左右，頂板中部位置溫度最低，為24.9℃;在13:00左右，頂板下部位置溫度最低，為25.6℃。

　　(4)頂板豎向溫差變呈正弦曲線式周期變化，在18:00左右，頂板上下位置豎向溫差達(dá)到最大，為8.9℃;中部和下部位置相對上部位置溫度峰值延后，在05:00到06:00時間段內(nèi)，環(huán)境溫度、箱室內(nèi)部的溫度及頂板混凝土內(nèi)部溫度都最低，頂板厚度方向的溫差最小，溫差達(dá)到0.4℃。在05:00到11:00時間段內(nèi)，頂板豎向存在負(fù)溫差，此時表面溫度雖然下降，但是由于吸熱慢，放熱也慢，這時的下表面還處于吸熱階段，內(nèi)部的溫度還在上升，兩者之間的溫度變化不一致導(dǎo)致負(fù)溫差的產(chǎn)生。

　　2.2 箱梁腹板溫度場變化規(guī)律

　　影響腹板溫度差異的因素有:橋梁走向、太陽輻射角度、翼緣板的遮擋等。該橋?yàn)闁|西走向，每天太陽輻射對箱梁的南北兩側(cè)腹板會產(chǎn)生不同的影響，北側(cè)腹板全天無太陽輻射，然而日間的太陽輻射會影響南側(cè)腹板，所以南側(cè)腹板吸收的熱量要比北側(cè)腹板多，兩側(cè)腹板內(nèi)的混凝土溫度存在差異。箱室腹板的溫度變化規(guī)律如圖9所示。

　　圖9 箱梁腹板橫向溫度變化 下載原圖

　　圖9直觀地表示出了17日到19日兩天箱梁腹板溫度的變化情況，從圖中可以得知:

　　(1)箱室南北兩側(cè)腹板溫度均呈正弦曲線式周期變化，且腹板最外側(cè)混凝土受環(huán)境影響大，一天內(nèi)的溫度變化趨勢同環(huán)境溫度變化趨勢，但達(dá)到溫度峰值的時間相對延后。

　　(2)南側(cè)腹板外表面混凝土一晝夜的溫度變化是先上升后下降。這是因?yàn)槟蟼?cè)腹板在白天時間段內(nèi)直接通過太陽輻射吸收熱量，溫度逐漸上升。經(jīng)過白天的升溫，在19:00腹板外表面溫度達(dá)到最大，為35.1℃。隨著夜晚來臨，太陽輻射逐漸減弱，氣溫也會降底。此候，腹板溫度高于周圍的空氣溫度，腹板表面的溫度在周圍環(huán)境影響下減小。經(jīng)過一夜降溫，腹板外表面溫度在第二天上午08:00左右達(dá)到溫度最低值24.2℃。白天的太陽輻射作用以及環(huán)境氣溫變化對腹板中間和內(nèi)部測點(diǎn)的溫度變化影響小，溫度峰值比表面混凝土溫度峰值相對延后，溫度最大值大約出現(xiàn)在22:00，全天溫差在5℃范圍以內(nèi)。

　　(3)北側(cè)腹板處在背陰面，全天不直接受到太陽輻射的影響，腹板混凝土與外界環(huán)境的熱傳遞來吸收熱量，所以外表面混凝土的溫度變化趨勢同環(huán)境溫度變化趨勢。北側(cè)腹板橫向溫度變化規(guī)律和南側(cè)腹板類似，但是由于處于背陰面，所以溫度最大值要比向陽面腹板溫度最大值小，相比之下，北側(cè)腹板溫度峰值只有30.4℃，低于同一時間下南側(cè)腹板的溫度。但是北側(cè)腹板的全天溫差要比南側(cè)腹板小，南側(cè)腹板溫差達(dá)到11.4℃，北側(cè)腹板全天溫差在5℃左右。對于腹板中間和內(nèi)部的混凝土，由于混凝土的熱傳導(dǎo)性低，腹板內(nèi)部混凝土的溫差都要比外表面混凝土的溫差小，全天溫差在4℃以內(nèi)。

　　(4)箱梁中腹板所處的箱室環(huán)境接受不到太陽輻射，風(fēng)速幾乎為零，所以溫度變化很小，腹板全天溫度處于25℃～26℃之間。

　　2.3 箱梁底板溫度場變化規(guī)律

　　底板混凝土的溫度受太陽輻射的作用比較小，可不計。周圍環(huán)境和底板混凝土間進(jìn)行的的熱量交換，吸收熱量主要是通過與外界空氣對流與熱輻射，所以環(huán)境溫度的變化情況決定著底板下表面的混凝土溫度變化，他們具有相同的的溫度變化趨勢。底板豎向方向溫度變化比較穩(wěn)定，受環(huán)境影響較小。圖10為底板混凝土溫度隨時間變化圖。

　　圖1 0 箱梁底板豎向溫度變化圖 下載原圖

　　從圖10可以看出:

　　(1)箱梁底板上、中、下三個位置的混凝土溫度變化均為正弦曲線式周期變化，且底板下表面位置混凝土溫度起伏變化最明顯，溫度趨勢和頂板、腹板走勢一致。白天經(jīng)過太陽輻射過程，底板混凝土溫度上升，其中下表面混凝土溫度最大值大約出現(xiàn)在18:00，進(jìn)入夜間之后，氣溫變小，底板下表面混凝土溫度開始下降，08:00左右達(dá)到溫度最低。一天內(nèi)下表面混凝土的溫差在5.7℃左右。

　　(2)對于底板中間部分混凝土溫度，由于混凝土導(dǎo)熱性差，中間部分的混凝土溫度不能同時變化，溫度開始逐漸降低的時刻比較晚，在22:00左右，出現(xiàn)溫度的最大值，然后降低。溫度達(dá)到最低值的時刻同樣延后，在10:00左右才能達(dá)到溫度最小值。

　　(3)太陽輻射并未直接作用于底板上表面所處的箱室環(huán)境，由其而導(dǎo)致的溫度變化很小，可不計，且箱室內(nèi)風(fēng)速幾乎為零，溫度變化非常穩(wěn)定，但也存在上升下降過程，全天溫度保持在24.1℃～26.3℃范圍內(nèi)。

　　3 結(jié)論

　　(1)在高溫，風(fēng)速較小的天氣情況下，箱梁混凝土溫度變化不同步，且從外到內(nèi)依次延后，溫度達(dá)到極值的時間也依次滯后，外表面部分混凝土的溫度最大值大約出現(xiàn)在18:00，溫度最小值大約出現(xiàn)在08:00。

　　(2)箱梁中腹板不受外界太陽輻射影響，所處的箱室環(huán)境比較穩(wěn)定，箱梁中所布置的全部測點(diǎn)中，溫度變化情況最小的主要集中在混凝土的內(nèi)部。

　　(3)箱梁底板和頂板位置會出現(xiàn)豎向溫差，腹板位置會出現(xiàn)橫向溫差，并且豎向溫差也會出現(xiàn)在沿腹板的豎向位置，這與規(guī)范中所規(guī)定的沿梁高方向存在溫差是一致的。這是由于梁高方向各部位接受太陽輻射的強(qiáng)度和時間有差異，造成溫度分布不均勻。

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