刘凯旋
（广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司，广东广州，510507）
摘要：混凝土桥梁在工作时受环境影响较严重，表现最突出的是钢筋和混凝土的温度敏感系数不同，长时间的温度作用下会导致梁桥的内力变形不协调，影响结构的耐久性和桥梁的正常使用。针对这种现象本文进行了以下研究：对温度作用的类别及特点进行了总结，对温度效应的空间和时间差异作了讨论，并对某实际工程进行了有限元模拟，分析了曲线梁桥的温度场及温度效应。通过理论与实际相结合，为曲线梁桥的温度效应分析提供了理论依据和分析方法。
关键词：混凝土；曲线梁桥；温度敏感系数；温度作用
0 引言
钢筋混凝土梁桥的主要组成材料是钢筋和混凝土，通过将二者连接起来形成整体的钢筋混凝土结构，保证二者共同作用来承受荷载，抵抗不良的变形。钢筋混凝土梁桥能够根据材料自身特性发挥材料的作用，如混凝土抗压强度高，在进行结构组合时将混凝土置于受压区；钢筋抗拉强度高，在进行结构组合时将钢筋置于受拉区[1]。这样的组合结构避免了混凝土受拉开裂的现象的发生，同时也很好地保证了桥梁的稳定性。钢筋混凝土梁桥在结构上具有一定的优势，但是二者的温度敏感程度不同，导致温度发生变化时，钢筋和混凝土出现温差，从而导致结构内力发生改变，最终出现混凝土开裂、钢筋锈蚀的现象[2]。由于温度效应，桥梁出现病害甚至倒塌的现象屡见不鲜，本文主要针对钢筋混凝土梁桥中温度效应对桥梁结构的影响进行研究，以便更好地反映出钢筋混凝土梁桥在温度效应上的特点。
1 温度作用理论
1.1温度作用类别及特点
通过实际工程分析及调查发现，使桥梁产生温度变化的环境因素主要有日平均温度变化、温度突变和年温差变化三类。日平均温度变化的原因有太阳的照射、气温和风速变化等；温度突变主要是寒冷气流的影响以及天气骤然变化的结果；年温差变化则是由四季更替导致温度变化所产生。
① 日平均温度变化
日温差对桥梁的温度场分布有重要的影响，日温差变化的原因主要包括外在因素和内在因素两方面。外在因素包括太阳的照射、气温和风速变化、局部环境温度变化等；内在因素包括结构材料的颜色、桥梁的位置和走向以及项目所处的地理位置和地形变化；组合结构中各种材料的温度敏感系数不同，所以产生了较大温差[3]。结构的外界温度变化可以通过现场实地观察收集温度资料，从日照和气温变化两方面来获得温度场的变化规律，从而控制日平均温度对桥梁的作用。
② 温度突变
这种温度变化因素主要在两种情况下会出现：一种是冷空气骤然来袭，环境温度迅速下降，热传递的速率不同，导致结构内外形成温差。同时材料本身存在感温系数，且系数大小不同，当温度发生突然变化时，各个材料间的温度变化不相同，导致桥梁结构出现温差变形，对梁体来说这种变形很容易使混凝土产生裂缝。另一种温度突变是由昼夜交替时的温差引起，当夜晚出现时，结构外部环境温度迅速降低，结构外部与环境进行热交换，散热较快，结构内部散热较慢，因此结构内外形成较大温差[4]。
③年温差变化
年温差变化是一个长期的过程，在进行年温差变化对桥梁的影响时，需要以构件自身的温度做为参考。
将温度作用的三种类别进行特点划分，如表1所示。
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1.2温度分布
桥梁结构的温度分布情况与外界环境条件以及桥梁内部结构有关。外界条件主要包括天气变化、昼夜交替等。通过气象资料可以了解到，一般一年中最高温度出现在夏季7~8月，一天中的最高温度出现在中午12时至下午15时。桥梁的温度分布与太阳高度角及桥梁所处的方位有关，阳光从不同方位照射到桥面板上，会沿板厚方向形成温度梯度，如正午时是阳光最充足的时刻，阳光直射桥面板时，桥面板上下缘的温差最大。
温度分布还会根据桥梁结构形式的不同而发生变化，铺装层厚度以及桥梁涂装层颜色均会影响温度的分布。
2 温度场模拟
2.1温度场影响因素
①混凝土热物理性质
混凝土的主要原材料是水泥浆和骨料，但二者的弹性模量数值存在差距，导致温度变化规律也不相同。混凝土在进行凝结硬化过程中，泥浆进行收缩，二者接触位置发生应力集中现象，导致内部细小裂缝的产生。从力学角度分析，混凝土的结构是间断的，因此导热不良，传热性能较差。混凝土的热力参数为热导系数和比热，该系数的主要影响因素为混凝土骨料的种类、用量和含水量。影响较小的因素为混凝土龄期和水灰比[5]。
②桥梁热交换
桥梁在日光的照射下会吸收太阳的热辐射，这种辐射会使桥梁表面温度升高，从而使得梁体表面和梁体内部的温度产生热传导，逐渐使这种温差缩小，辐射热量还可以通过空气对流形成边界热交换，在实际工程中，桥梁与空气一直存在边界的热量传递。根据大量数据表明，太阳辐射对桥梁的受力影响较大，当吸热大于放热时，温度升高；当吸热小于放热时，温度降低[6]。
2.2工程概况
文章所依托工程为某地区的城市快速路，该路段的桥梁为预应力混凝土曲线梁桥，曲率半径为60m，结构形式为单箱单室，主梁的梁宽为8.5m。文章为研究温度场的变化情况，对桥梁按1:5比例建立试验模型，桥梁模型的总跨径为10m，跨径的布置形式为2×5m，桥梁模型的顶板宽度为1.7m，底板宽度为0.62m，相应地曲率半径设置为12m。结构形式如图1所示。
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图1 桥梁横断面图（单位：cm）
通过参考对比国内外规范，对混凝土箱梁桥混凝土的热物理系数做出如下规定：箱梁混凝土型号为C50，导热系数为2.5J/(m·s·K),施工场区温度为20℃~50℃，比热容为880J/(kg· K)。
对本桥梁因温度变化受到的影响开展研究，主要基于以下两方面产生的影响进行了分析：
①正常太阳照射时，桥梁结构的混凝土温度变化与外界温度变化之间的同步性和温度分布规律。
②不同季节混凝土梁桥的内部温度场和变化规律的异同。
2.3参数确定
文章对混凝土的热力参数设定如表2所示。
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2.4有限元模型的建立
本次通过有限元模型对曲线箱梁桥进行建模分析，首先对材料的属性进行定义，然后通过网格划分对结构进行离散。本次模拟分析桥梁的受温度影响的时段为夏季日出前后2小时，对太阳的辐射等进行统一的折算。温度场分析时，采用的系数为综合热交换系数。因外界温度以及太阳的辐射会随着时间的推移发生变化，因此分析类型应选为瞬态分析，然后进行温度场的求解。
为了便于对温度效应进行分析，对系统温度和梁截面的温度进行如下模拟：系统温度变化沿梁高均匀分布，最低温度设定为0℃，最高温度设定为32℃。梁截面的温度反映了温度变化为非均匀变化时的混凝土内部温度梯度。
曲线桥全桥的模型建立如图2所示。
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图2 曲线桥模型图
3 温度效应分析
3.1日照影响分析
通过对桥梁的温度场进行模拟分析，对本桥梁因温度变化受到的影响开展研究，主要基于以下两方面产生的影响进行了分析，并得到以下结论：
①通过有限元模拟与箱梁顶板的现场实测温度进行对比，可以发现二者的温度变化规律较为吻合，模拟值与实测值的差小于2℃，有限元模拟具有较好的仿真精度。日照强度较弱时，桥梁温度变化不明显，对桥梁产生影响较小，随着日照强度的增加，顶板的温度逐渐升高。
通过对有限元模拟与箱梁底板的现场实测温度进行对比，可以发现二者的温度变化规律同样较为吻合，模拟值与实测值的差小于2℃。同时由于翼缘板的遮挡作用，底板温度变化幅度较小，横向温度变化的范围也非常小，底板的温度场变化与顶板相比较小。
②正常太阳照射时，桥梁结构的混凝土温度变化规律与外界温度变化规律基本一致。随着外界温度的升高，桥梁结构中出现正温度梯度，箱梁内侧的温度梯度小于外侧的温度梯度，温度降低时，温度梯度出现相似的变化规律，且温度梯度沿顺桥向的变化规律相同。
太阳照射顶板一段时间后，因铺装层吸收的热量大于同一时间散发的热量，顶板温度持续升高且高于同一时刻的大气温度，底板温度规律则低于同一时刻的大气温度；底板和顶板温度达到最大值所用时间不同，主要原因是混凝土内部温度场的非线性分布。
③夏季顶板最高温度显著高于大气温度，因而夏季顶板与外部环境之间的温差较大，底板的温差则较小。冬季的整体环境温度较低，温度降低时的负温差较小。春季与秋季时混凝土内部温度场的分布形式和变化规律与冬夏季相似，但由于春秋两季的阳光辐射程度较弱，因此温度变化的程度也相应地较弱。
3.2曲率半径影响分析
为了验证曲率半径的变化对桥梁温度效应的影响，文章设定了曲率半径分别为R=12m，R=20m，R=∞的三种模型，桥台支座采用抗扭支座，中支点采用固定支座。
①温度应力变化
正温度梯度下，桥梁的顶板温度应力表现为压应力，且曲线内侧温度应力大于外侧温度应力。随着R增大，内侧应力变小，外侧应力增大，顶板内外侧应力差值降低。桥梁底板温度应力表现为拉应力，因该处温差较小，R发生变化时，温度应力变化不显著。
在负温度梯度下：桥梁的顶板表现为拉应力。随着R减小，内侧温度应力变小，外侧温度应力变大，顶板内外侧应力差值增大，底板受力表现形式和温度应力变化情况与顶板相同。
②温度梯度下变形
正温度梯度下：随着R增大，桥梁沿切向出现位移，最大位移出现在R=∞的直线桥，位移值为0.4mm。曲线桥在弯扭作用下，径向表现为外翻，当R增大时，径向位移减小，直线桥则不产生径向位移。
负温度梯度下：桥梁的变形情况与正温度梯度下趋势相同，但影响程度不同，最大切向位移为0.25mm。
③对支反力的影响
当R增大时，曲线桥的内外侧支座受力的差值越来越小，R=∞时受力不均现象消失，径向受力情况与竖向受力情况相同。
3.3支座形式影响分析
在温度梯度作用下，桥梁的径向位移变化较为明显，在进行支座布置时，应进行限位来减少径向位移量。文章对两跨曲线桥不同的支座形式进行分析，来分析支座对曲线梁桥的影响。支座布置形式如图3所示。方案A中支座为固结单支座，方案B中支座为抗扭固结双支座，方案C中支座为双支座。
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图3 支座布置示意图
①温度应力变化
正、负温度梯度下，温度应力变化情况相同，若曲线桥中间固结，支座处表现为应力突变，顶板和底板均出现拉应力，最大值可达2.7MPa，该值已超出混凝土的强度设计值。
②温度梯度下变形
在正温度梯度下，三种支座的切向位移值相似，最大值为4mm，出现在梁端。
负温度梯度下，切向位移变化规律与正温度梯度下变化规律相似，最大位移值为0.25mm。径向位移无明显变化。
③对支反力的影响
正温度梯度下，B方案的支座布置形式为抗扭固结支座，降低了桥台处的竖向支反力，从而降低了桥台出现脱空的危害，同时抗扭支座的反力增加。
负温度梯度下，支反力变化情况与正温度梯度相似。径向反力的变化较为明显，方案B中支座的径向反力增大，方案C与方案A的径向反力则变化很小。
4 结语
本文通过对桥梁的温度场及温度效应进行了分析，得到以下结论：
①使桥梁产生温度变化的环境因素主要有日平均温度变化、温度突变和年温差变化三类。
②通过对实际工程中的曲线桥受温度场的影响进行了模拟分析，桥梁的顶板和底板由于受日照的影响程度不同，会产生差异性收缩变形，对于桥梁的受力较为不利。对箱梁受温度效应的影响程度而言，顶板大于底板，箱梁内侧大于外侧，春夏两季则大于秋冬两季。
③对曲线梁桥温度效应的影响因素进行了分析，发现曲线梁桥受曲线半径R的影响程度较大，曲线桥梁的温度变形影响比直线桥更显著；在实际工程中，为了减小曲线桥的温度作用，采用抗扭固结支座与铰支座交替布设较为合适。
参考文献
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