（工程力学专业论文）预应力混凝土箱梁温度效应研究.pdf

武汉理1 ：大学硕十学位论文 摘要 目前，关于大跨度预应力混凝土箱形梁桥的温度效应研究还是不够完善。 有资料表明，混凝土结构的温度荷载以及其引起的温度应力对箱形梁桥结构的 安全性、耐久性是一个极大的潜在威胁。作为混凝土结构设计的一项重要内容， 混凝土结构温度场分布及其所引起的温度效应和在此基础上的施工湿度控制问 题，已经引起国内外桥梁专家和研究工作者的高度重视。 本文通过对大跨度预应力混凝土箱形桥梁的温度场现场实测和有限元软件 仿真计算与分析，得出适合于建桥所在地区特点的大跨度预应力混凝土箱形梁 桥的温度梯度模式，并将之与国内外设计标准中有关温度荷载的规定进行比较， 得出结论：本文结果的可靠性，计算方法是可行性，并为规范的修订提供合理 的建议。 通过- 心临y s 有限元软件建立了桥梁在悬臂施工阶段的温度场仿真模型，对 箱梁桥施工过程中的温度效应进行了计算与分析，并与现场实测数据进行对比， 从而验证建立的温度场仿真模型的正确性，得出大跨度预应力混凝土箱梁桥施 工过程中的温度效应影响严重，并有可能成为引起箱梁裂缝的主要因素之一， 所以应该引起设计工作者的注意。验证了本文推荐的温度梯度模式是合理的， 其结果与英国b s 5 4 0 0 规范温度梯度模式和我国公路桥涵新规范温度梯度模式基 本是一致的。 最后对箱粱温度控制提出设计和施工的一些注意事项，施行有效温度控制， 防止温度裂缝的出现，为工程设计人员和现场施工提供一定的参考。 关键词：大跨度预应力混凝土箱形桥梁、温度效应、温度场、有限元、温度 荷载、温度控制。 武汉理i i 人学硕+ 学位论文 a b s t r a c t t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ，t e m p e r a t u r ee f f e c tf r o mt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n d t e m p e r a t u r ec o n t r o lp r o b l e mi nc o n s t r u c t i o no fl o n gs p a np r e s t r e s s e dc o n c r e t e ( p c ) b o x - b e a mb r i d g eh a v ea t t r a c t e da t t e n t i o no fb r i d g ee x p e r t sa n dr e s e a r c h e r sb o t ha t h o m ea n da b r o a d i nt h i sp a p e r at e m p e r a t u r eg r a d i e n tm o d eo fl o n gs p a np cb o x b e a mb r i d g e c a nb ec o n c l u d e d ，w h i c hi s a p p r o p r i a t ef o rt h er e g i o nc h a r a c t e r i s t i c si nt h eb r i d g e p l a c e ，b yt h et e m p e r a t u r ef i e l dm e a s u r i n ga n dt h es i m u l a t i o nc a l c u l a t i o na n da n a l y s i s o ff i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ef o rl o n gs p a np cb o x - b e a mb r i d g e b yt h ec o m p a r i s o no f c o r r e s p o n d i n gn o r m sa b o u tt e m p e r a t u r el o a di nb r i d g ed e s i g ns t a n d a r dh o m ea n d a b r o a d ，i tc a nb ec o n c l u d e dt h a tt h er e s u l ti sr e l i a b l ea n dt h ew a yo fc a l c u l a t i o ni s f e a s i b l e ，w h i c hc a nb et h ea d v i c ef o rt h es t a n d a r dr e v i s i o n ， b ya n s y s f i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e ，t h es i m u l a t i o ns o l i dm o d e lo ft e m p e r a t u r e f i e l dw a se s t a b l i s h e dd u r i n gc a n t i l e v e rc o n s t r u c t i o no ft f r a m e b yt h ec a l c u l a t i o n a n da n a l y s i so fs o l a rt e m p e r a t u r ee f f e c td u r i n gp cb o xb r i d g ec o n s t r u c t i o na n dt h e c o m p a r i s o nw i t ho b s e r v a t i o n a ld a t ai nt h es c e n e ，t h es i m u l a t i o nm o d e lo ft e m p e r a t u r e f i e l dc a nb ej u s t i f i e dr e a s o n a b l ea n dt e m p e r a t u r ee f f e c tc a nb eo b t a i n e dd u r i n gt h e c o n s t r u c t i o no fl o n g s p a np cb o x b e a mb r i d g e i tc a nb ec o n c l u d e dt h a tt h e t e m p e r a t u r ee f f e c td u r i n go p e r a t i o nc a nn o tb ei g n o r e d ，f o ri ti sp o s s i b l et ob e c o m ea m a j o rf a c t o rc a u s eb o xb e a mc r a c k ，w h i c hs h o u l da t t r a c td e s i g n e r s a t t e n t i o n i ti s t e s t i f i e dt h a tt h et e m p e r a t u r eg r a d i e n tm o d eo ft h i sp a p e ri sr e a s o n a b l ea n dt h er e s u l t i si na c c o r d a n c ew i t hb s 5 4 0 0a n dc h i n e s er o a db r i d g es t a n d a r d t h i sp a p e rr e a s o n a b l em a i n t e n a n c em e a s u r e sf o rt h eb r i d g e ，e f f e c t i v ew a y st o t e m p e r a t u r ec o n t r o la n dp r e v e n t i o no ft e m p e r a t u r ec r a c ka r ep u tf o r w a r d ，a n dt h e p r e c a u t i o n s a r ea l s ob ea c h i e v e df o rt h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o na b o u tb o x b e a m t e m p e r a t u r e ，w h i c h c a nb ef o rt h er e f e r e n c eo fp r o j e c t d e s i g n e r sa n df i e l d c o n s t r u c t i o n n k e yw o r d s ：l o n gs p a nr e i n f o r c e d c o n c r e t eb o x b e a mb r i d g e ；t e m p e r a t u r ee f f e c t ； t e m p e r a t u r ef i e l d ；f i n i t ee l e m e n t ；t e m p e r a t u r el o a d ；t e m p e r a t u r ec o n t r o l i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ：髦啦日期：立q 红耻 关于论文使用授权的说明 本文完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 内容，可以采用影印、缩印和其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生c 签名，：3 擦导师c 签名，：墨遨日期：上艘吣 武汉理t ：人学硕十学位论文 1 1 前言 第1 章绪论 近年来，伴随我国公路交通事业的迅速发展，桥梁事业也取得了突飞猛进 的辉煌成就。随着桥梁设计理论和施工技术水平的不断发展进步，各种形式的 大跨径桥梁的数量增长很快，在桥梁施工和营运过程中也不可避免出现一系列 新问题，其中温度效应问题己引起国内外工程界的关注与重视。混凝土桥梁结 构被置于自然环境中，长期经受自然界气温的变化、同照辐射以及人为温度变 化等温度作用。由于混凝土材料的热导性能差，在各种温度作用下必然将在混 凝土内部产生较大的温度梯度，桥梁结构各部分处于不同的温度状态，从而产 生温度相当大的温度应力。在桥梁结构中，由于这种温度作用产生的应力，有 时候甚至比外部活荷载产生的应力还大，有的预应力混凝土桥梁因此发生严重 裂损，给桥梁结构带来极大危害。因此，温度作用效应也一直是桥梁工程中的 一个重大课题。尤其对于大跨径预应力混凝土连续刚构桥，随着跨径的不断增 大，其横截面面积也相应增加，从而使得温度作用对结构的应力、变形的影响 越来越显著，这样研究温度作用效应就更加必要。 自上世纪5 0 年代起，国内外学者从对桥墩裂缝的现场调查分析中，己经逐 渐认识到温度应力对混凝土桥梁结构的重要性。随着混凝土空心高桥墩以及预 应力混凝土箱形桥梁的发展，温度应力对这些结构的影响和危害，越来越引起 工程界的重视和研究。在国外，德国的s c h m a r g e n d o r f 桥和j a g s t 桥的厚腹板箱 形梁的裂损、美国对c h a m p i g n y 箱形桥梁支座反力的大幅度变化、新西兰新市 场高架桥预应力混凝土箱梁严重裂损，以及国内的芜湖空心高桥墩、通惠河连 续箱梁、九江长江大桥引桥箱梁、漓江二桥箱梁的裂缝，也都反映了温度作用 对桥梁结构的不可忽视的影响作用。可见，在设计阶段如果对温度作用没有充 分考虑，那么其对成桥运营阶段的结构应力和支点反力影响是相当可观的。 在大跨径桥梁的施工过程中如果忽略温度效应的影响，会对施工中的结构 甚至成桥后都引起一些不利作用。例如，在浇注0 号块时，大体积混凝土浇注 时水泥的水化热会引起混凝土内部温度和温度应力的急剧变化，尤其是在寒冷 武汉理j i 人学硕十学位论文 季节施工，在一定条件下对混凝土会产生相当大的拉应力，极易导致温度裂缝1 1 1 。 温度作用给桥梁施工监控也增加了许多麻烦，方面，日照辐射引起结构各部 分的温度差，这必然会使施工监控中应力测量得到的数据与仅按施工荷载计算 求得的结果有所差异【2 j ，更严重的在施工过程中就有部分梁段的腹板出现裂缝： 另一方面，一天之内温度的较大变化对施工中桥梁结构的变形有较大影响，有 些悬臂浇注主粱前端的挠度相对变化最大值可达2 6 m m 之多l 引。 因此，研究分析钢筋混凝土箱形梁桥的温度效应，对完善桥梁设计理论、 指导桥梁温度控制和防治桥梁结构的裂缝具有重要意义。 1 2 国内外研究概况 到目前为止，国内外许多学者对桥梁温度场及其效应研究作了许多工作， 进行了一系列现场试验观测和理论研究。 1 2 1 国外研究概况 在国外，早期的麦克卢尔等人对桥梁结构的热传导问题进行了调查，对后 张混凝土箱梁中的纵向、横向和竖向温度变化进行了研究，并根据热电偶的实 测数据和衰减分析得出了纵向温度变化不明显，横向温度变化也很小的结论1 4 j 。 这些结果肯定了以前的假设，即桥梁的三维热传导问题实际上可以简化为沿桥 梁截面垂直变化的一维问题，1 9 5 7 年纳罗卡等人完成了同本s h i b i t a 桥的温度试 验，结果表明，结合梁的温差应力与静载和动载应力相当1 5 l 。美国的z u k 研究 了由气象资料估计桥梁的温度分布，并导出了结合梁的顶底面之间的最大温差 近似方程，继而在进行实桥观测的基础上，用线性温度分布，分析了结合梁的 温差应力。m a k e r 在实测基础上对m a d w a y 等桥梁进行分析时也是假定箱形连续 梁的温度荷载以线性分布，并假设箱形梁截面两边及底板的温度恒定。随着试 验研究工作的进展，开始认识到混凝土结构内部的温度分布是非线性的。英国 的d a s t e p h e n s o n 以表面温度波幅为依据，用指数函数来分析混凝土结构沿壁板 厚度方向的温度分布，新西兰的m j n p r i e s t i e y 在对澳克兰市场高架桥的模型试 验中，求得了温度非线性分布规律。德国的f r i t zl e o n b a r d t 和f k e h l b e c k 等学者 在他们的论著中，也都确定了非线性的温度分布规律，后者还用矩阵方法计算 了气象资料与结构温度分布定量关烈嗍j 。经过p r i e s t l y 、l a n i g a n 、e m e r s o n 、h u n t 2 武汉理i ：人学硕十学位论文 和c o o k e 等人的理论研究以及模型试验和现场测试而提出的用一维导热方程按 第三类边界条件以确定混凝土公路梁跨结构内部的温度分布计算方法直至今天 仍在欧美普遍应用1 9 l 。在温差应力方面，首先是f r i t zl e o n b a r d t 对德国几座预应 力箱梁桥发生严重裂缝的情况进行了分析，提出了横向温差应力估计值，定量 地讨论了厚壁箱梁的温差应力问题，认为温差应力是预应力箱梁发生裂缝的主 要原因。稍后，e k e h l b e c k 在“太阳辐射对桥梁结构影响 地论著中，较系统地 分析了各种气象因素对混凝土桥梁结构各部分表面温度的影响，求得了以矩阵 形式表示的温度函数，并按一维不稳定导热理论解得了厚板的自约束应力和桥 梁的体系约束应力。这个方法考虑的影响因素较多，计算方法复杂，在工程中 不便使用。新西兰的m j n p r i e s t l e y 根据澳大利亚和新西兰地区因温度作用引起 的桥梁损坏，分析了由垂直温度梯度引起的纵向温差应力，提出了可供电算编 程的计算方法。英国的d a s t e p h e n s o n 分析了柔性柱体的温差应力问题，从而 使温差应力研究有了明显的进展i l 叭4 j 。八十年代初，加拿大c a l g a r y 大学的a m i n e g h a l i 教授、w a l t e rh d i l g e r 教授及m e l b a d r y 等学者对混凝土桥梁和钢一混凝土 组合箱梁的温差应力作了一系列的研究【1 5 。1 7 1 。m a m d o u t h m e l b a d r y 和a m i n e g h a l i 在文献【1 6 】中，研究了简支梁和连续梁中由于温度非线性变化引起的纵向自 约束应力和外约束应力，通过比较不同的截面形状、截面高度、地理位置、材 料特性及覆盖物等对结构纵向自应力和温度弯矩及外约束应力的影响，定性地 提出了最不利温度荷载状态，并编制了有限元计算机分析程序f e t a b 来预测温 度场的分布及相应的纵向应力。这些工作为有关规范的制定提供了一系列参考 数据。 1 2 2 国内研究概况 在国内，对混凝土桥梁温度分布与温差应力的试验研究起步于上世纪5 0 年 代末，首先是铁道部大桥工程局对实体桥墩温度分布作了调查研究。铁道部第 四勘测设计院对薄壁空心高桥墩的日照温差应力问题进行了初步研究。上世纪 6 0 年代中期，铁道部科学研究院西南研究所对预应力拼装式箱形桥墩进行了现 场观测和模拟试验，首先测定了混凝土结构的温度分布，证实了在空心桥墩中 存在相当大的温差，在壁厚为0 2 5 m 的箱梁薄壁空心桥墩中，当墩内外的气温 只有2 - - 一3 c 时，桥墩内外表面的温差可达到1 5 ( 2 以上，因此空心混凝土结构的 温差荷载问题，引起了工程界的广泛重视。此后，试验研究工作因故一度中断。 3 武汉理1 ：人学硕十学位论文 直到上世纪7 0 年代中期，铁道部第四勘测设计院和铁道部科学研究院西南研究 所等对长沙水塔进行温度场和温差应力观测，取得了厚壁空心筒体结构的实测 数据，当壁厚为0 5 0 7 m 时，内外表面温差可达到2 0 6 。c 。接着，铁道部科学研 究院西南研究所与上海铁道学院、铁道部第四勘测设计院等单位院所分别进行 了一些现场观测和试验 1 8 - 1 9 】。在理论分析方面，上世纪7 0 年代中期，铁道部第 四勘测设计院对钢筋混凝土圆形空心桥墩的r 照温差应力进行了分析，沿墩壁 厚度方向的温度分布，以表面温度波幅为依据，并用各点温度波幅的包络线作 为沿壁厚方向的温度分布曲线。此后，铁道部科学研究院西南研究所、上海铁 道学院等单位在壁板式柔性墩的模型与现场观测的基础上，分别提出了研究报 告。铁道部第四勘测设计院在长沙水塔的现场观测基础上提出了圆形空心高墩 的温差应力研究报告。从而使混凝土桥墩方面的温差应力试验有了明显的进展。 1 9 7 8 年南京桥梁会议之后，随着大跨度混凝土箱形桥梁的兴建，温差应力的试 验研究工作由桥墩结构转向桥跨结构。从1 9 7 8 年起，铁道部科学研究院西南研 究所建立了混凝土桥梁温差应力研究组，开始了系统的试验研究工作，在试验 和理论研究方面也取得了良好的进展，基本上解决了简明的工程设计实用计算。 与此同时，交通部西安公路研究所对兰州黄河大桥预应力混凝土箱形梁的温度 分行进行了实桥观测与分析，牙克石林业勘测设计院对黑龙江省的都德公路桥 进行了温度分布观测，黑龙江省交通科学研究所对哈尔滨松江大桥继续进行温 度分布观测。为我国寒冷地区混凝土桥梁结构温度分布取得了宝贵的实测资料。 以上国内单位院所的试验研究工作，促使我国在混凝土桥梁结构温度场和温差 应力的研究深入开展，并取得了一定的成果【3 】1 2 。沈肇荃、孔详谦等学者对不稳 定温度场的数值解法进行了深入的研究【2 1 之引，为混凝土工程结构温度场与温差 应力的研究奠定了理论基础。 在众多学者们的努力下，混凝土箱梁桥的温差应力计算理论不断取得进展。 如：刘兴法在文献【2 3j 中，系统论述了预应力混凝土箱梁桥的温度分布与温差应 力问题，通过对红水河铁路斜拉桥和九江长江大桥的大量现场试验观测资料的 分析和理论研究，建立了预应力混凝土箱梁的控制温度荷载及相应的温差应力 计算方法。并将箱梁的温度场简化为二维温度场，按竖向和横向的一维温度场 计算，再进行简单的迭加来计算温差应力，同时考虑了横向温度荷载。该计算 方法被铁道部终审通过，并于1 9 8 4 年6 月被纳入“铁路桥涵设计规范”。管敏 鑫在文献1 2 4 l 中，提出了混凝土箱形梁在日照下同时考虑断面上两个方向传热的 4 武汉理j ：人学硕十学位论文 温度场、温差应力和温度位移的计算方法，并作了验证，结果表明计算方法与 梁体实际受力情况基本上是相互一致的。并认为无碴无枕箱梁迎桥面j 下晒是控 制情况，而当采用道碴桥面时，侧晒应是控制情况。魏光坪在文献1 2 5 j 中用伽辽 金加权余量法导出了在日照、大气温度和两者共同作用下箱梁温度场及简支箱 梁温差应力的计算机模型，并编制出能在计算机上实现程序。房国安、多玉阁 在文献1 2 6 】中，应用一维导热方程按第三类边界条件以确定混凝土公路梁跨结构 内部温度分布的解析法和用天津市1 9 7 7 年有关气象资料分析了三跨连续梁的竖 向温度分布和相应于最大温差分布的纵向温差应力，并探讨了不同计算参数对 温差应力的影响。王效通在文献1 27 j 中，从箱梁内壁表面之间有辐射换热，而视 箱内空气为完全透射的假定出发，导出内边界条件，给出计算同辐射的一系列 公式和用矩形单元有限元法计算箱梁温度场的计算模型，并编制了相应的电算 程序。胡匡璋等在文献【冽中，推导了用矩形单元有限元法计算第一、三类边界 条件不稳定温度场及温差应力的计算模型，根据该计算模型编制了电算程序， 并对计算结果与实测数据进行了分析比较，吻合较好。特别是对柔性墩的温度 场与温差应力分析计算，得出了若干规律性意见，并提出了柔性墩温度场与温 差应力计算的简明表达式。 总之，国内外学者在钢筋混凝土箱形梁桥的温度场与温差应力方面作了不 少有益的研究与探讨，并取得了相当的成果，积累了许多宝贵的经验，使得其 计算理论不断完善，为以后的进一步深入研究奠定了基础。 1 3 目前存在的问题和研究意义 目前关于高墩大跨连续刚构桥的温度效应研究还是不够完善的。混凝土结 构的温度荷载以及其引起的温度应力对箱形桥梁而言是一个较为危险的因素， 温度载荷的验算是混凝土结构设计的一项重要内容，否则混凝土结构在运营刚 度和使用条件等方面，不能满足设计要求，甚至不能保证安全。预应力混凝土 箱形梁桥的温度场分布及其所引起的温度效应和在此基础上的旋工温度控制问 题已经引起国内外桥梁专家和研究工作者的重视。不同国家的桥梁研究工作者 根据不同的国情做了很多的工作，在各国桥梁设计标准中关于温度荷载问题都 制定了相应的规范，但这些规范规定的温度场的分布规律各不相同，就连我国 的铁路桥规与公路桥规的条文也相距甚远。在我国旧的公路桥梁设计规范( 1 9 8 5 5 武汉理l ：大学硕士学位论文 年) 中只给出了t 形截面梁的日照温差分布图式，而对于不同的桥型，温度场 分布也应有所区别，并且也不能笼统套用同一温度梯度模式。还有现行的规范 没有考虑全国范围内的气候差异，不管东西南北均采用同一温度模式，而我国 各地气候相差很大，如果按同一温度模式进行温度效应分析无疑是不尽合理的。 研究预应力混凝土箱形梁桥温度效应的关键在于确定一个符合实际情况的温度 场，然后根据最不利温差分布进行分析。确定合理的温度场是研究温度效应的 前提，在同等条件下按不同的温度梯度对同一结构进行计算，温度应力相差很 大，有时甚至出现反号的情况。并且，理论分析和实践己证明：按我国旧的公 路桥梁设计规范( 1 9 8 5 年) 进行温度应力计算是偏于不安全的。因此，对于高 墩大跨连续刚构桥的温度场和温度效应问题很有必要作进一步的深入研究。为 以后高墩大跨连续刚构桥的设计中温度效应问题的解决提供一定的理论依据和 技术参考；为相关的规范标准的进一步完善提供一定的合理性意见，以加速高 墩大跨连续刚构桥的温度效应理论的发展和完善。 研究分析大跨度预应力混凝土箱梁桥温度效应的意义归纳如下： ( 1 ) 在桥梁设计方面，温差应力验算是一项重要内容。通过温度效应的研究， 在桥梁结构设计时，充分考虑桥梁在施工和运营阶段的最不利温度荷载，保证 结构设计的合理性和安全性。 ( 2 ) 在桥梁施工方面，研究大跨度钢筋混凝土箱形梁桥的温度效应，可以指 导施工，对关键的施工工序进行适当的温度控制，以保证施工质量。 ( 3 ) 在理论研究方面，通过本论文的研究，得到适合于我国地区特点的大跨 度钢筋混凝土箱形梁桥的温度场分布规律及其温度效应，为规范的修订提供合 理的建议。 1 4 本论文主要研究内容 本文结合湖北沪蓉西高速公路马水河特大桥监测监控项目，通过采用现场实测 与理论分析相结合的方法，分析了连续箱梁结构对温度作用的反应，通过建立 a n s y s 有限元模型，对箱梁截面的温度效应进行仿真计算，并讨论理论计算值与 实测值间误差产生的原因。探讨混凝土温度对结构受力的影响。探讨混凝土温度对 结构位移的影响。确定适合于我国地区特点的大跨径连续刚构桥的温度场分布规 律，通过对国内外几种规范所规定的温度梯度模式的计算和分析比较，给出了有关 6 武汉理l ：人学硕+ 学位论文 建议和结论。为相关的规范标准的进一步完善提供一定的合理性意见，以加速高墩 大跨连续刚构桥的温度效应理论的发展和完善。 ( 1 ) 讨论预应力混凝土箱梁温度效应问题国内外研究概况，以及目前存在的 问题和研究意义； ( 2 ) 采用现场实测的方法，通过对预埋在箱梁截面的温度传感器的测量，得 到不同时刻箱梁的温度数据，并对温度沿截面横向、竖向、纵向的分布进行全方位 分析。选取典型的温度实测数据，采用数值分析软件进行曲线拟合，得到沿截面竖 向的温度梯度曲线、公式； ( 3 ) 利用有限元软件a n s y s 模拟计算箱梁截面温度场分布，并与现在实测 结果进行对比分析，探求箱梁温度特征，验证该温度梯度函数的适用性，从而确定 适合于这一地区特点的高墩大跨连续刚构桥的温度梯度模式； ( 4 ) 采用时间温度变形应力同步的测试手段，得到预应力混凝土连续箱梁 控制截面的挠度、应力数据，分析、探求预应力混凝土连续箱梁结构对温度作用的 反应； ( 5 ) 将实测得到的温度场、温度应力与有温度引起的挠度等数据与a n s y s 计算结果进行比较，验证本文提出温度场特征的适用性，从而确定该桥的温度场， 及其对结构的应力和变形的影响，并简要的分析误差产生的原因。 7 武汉理t 大学硕十学位论文 第2 章箱梁的温度荷载和温度场分析 2 1 温度荷载的形成、分类及特点 2 1 1 温度荷载的形成 置于自然环境中的混凝土工程结构，经受各种自然环境条件变化的影响。 混凝土工程结构的表面与内部各点温度随时都在发生变化，这与所处的地理位 置、地形地貌条件、结构物的方位、朝向以及所处季节、太阳辐射强度、气温 变化、云、雾、雨、雪等因素有关。在工程结构物的内外表面处，还不断地以 辐射、对流和传导等方式与周围空气介质进行热交换。因此结构物处于十分复 杂的换热过程中，工程结构物的温度分布相当复杂，由此产生温度变形。当变 形被结构的内、外约束阻碍时，便会产生温度荷载。由于自然环境条件变化所 产生的温度荷载，一般可分为三种类型：一、日照温度荷裁；二、骤然降温温 度荷栽；三、年温度荷裁。上述几种温度荷载，都是自然环境条件变化所造成 的，人们难以消除它。除上述几种荷载外，还有人为造成的温度荷载，如施工 浇筑阶段由于混凝土水化热引起的温度荷载，工程结构在运营阶段因使用目的 造成的温度荷载。这种人为因素造成的温度荷裁，一是可以控制，二是比较稳 定，往往可通过工艺措施予以控制，使其降低，然后再以稳定温度场分析对结 构物的影响i 。 2 1 2 温度荷载的分类及特点 1 、日照温度变化 工程结构的同照温度变化复杂，影响因素众多，主要有以下几个方面：太阳 的直接辐射、天空辐射、地面反射、气温变化、风速以及地理纬度、结构物的 方位和壁板的朝向、附近的地形地貌条件等。因此，工程结构物由于日照温度 变化引起的表面和内部温度变化，是一个随机变化的复杂函数。表面温度变化 具有明显的谐波曲线特性，但又随壁板朝向不同而有明显的差别。其中既有太 阳辐射引起的局部性，又有混凝土的热传导性带来的不均匀性。难以直接求得 8 武汉理丁人学硕十学位论文 函数解，只能进行近似的数值解。但从工程应用的角度考虑，可以从大量的实 测资料分析中，得出以下结论：在结构物所在地的地理纬度、方位角、时间及 地形条件确定的情况下，影响结构日照温度变化的主要因素是太阳辐射强度、 气温变化和风速。如从应用角度考虑，为了求得日最大表面温度，风速这个因 素也可忽略，因为当工程结构表面温度达到最大时，风速几乎接近于零。这样 我们从设计控制温度荷载考虑，影响工程结构表面温度的因素，实际上可简化 为只有太阳辐射和气温变化两个因素。而这两个因素各气象台、站均有观测资 料可查。同时我们也可以通过大量的现场观测资料的统计分析，可求得简化的 工程结构表面温度的半经验半理论公式，并能求得沿壁板厚度方向的温度分布 曲线。 2 、骤然降温温度变化 骤然降温温度变化分为两种情况：一是工程结构物在冷空气侵袭作用下，使 结构外表面迅速降温，结构物中形成内高外低的温度分布状态；二是日照降温， 由于日落等因素致使结构物外表面温度迅速下降，此时结构物内表面温度几乎 没有变化，形成较大的内高外低的温差状态。这两种降温温度变化，一般只须 考虑气温变化和风速这两个因素，可以忽略日辐射影响。这种降温温度荷载其 变化较日照温度荷载要缓慢一些，变化过程约为2 0 小时左右，比日照温度变化 作用时间长些。在这两种降温温度荷载中，冷空气侵袭作用引起的结构物降温 速度，南方地区平均降温速度为l l l ，最大降温速度为4 。c h ，比同照升温速度 1 0 l l 要小得多。 3 、年温度变化 混凝土结构物，由于年温变化所引起的结构物温度变化，因其是长期的缓 慢作用，使得结构整体发生均匀的温度变化。所以，在考虑年温对结构物的影 响时，均以结构物的平均温度为依据。一般规定以最高与最低月平均温度的变 化值作为年温变化幅度。 混凝土工程结构由于日照、骤然降温、年温变化等产生的温度荷载，其不 同特剧1 【3 1 】，见表2 1 。 9 武汉理 大学硕十学位论文 2 2 混凝土结构的热物理性 混凝土结构内部，其结构是由水泥浆和骨料等组成的，骨料与水泥浆不仅 是弹性模量不同，而且对温度变化、湿度变化的变形特性也各不相同。因此在 混凝土凝固过程中，由于水泥浆体中的收缩应变，两者界面上发生应力集中， 并产生微裂纹。从微观结构的非均质性出发考虑，混凝土无论在物理性质上、 力学性质上都不是连续体，因此，混凝土的热传导性能比较差，也就是在传热 过程中有较高的热阻，具有较好的隔热效果。 影响混凝土的导热系数( 也称为热导率) 和比热等热工参数性质的主要因素 有：骨料种类、骨料用量、混凝土的含水状态，而混凝土的龄期与水灰比则对 混凝土的热工参数影响较小。从定量方面分析，骨料对混凝土导热系数的影响 较大。采用不同种类骨料组成的混凝土，它的导热系数有明显差别。例如用玄 武岩等作为骨料的混凝土导热系数约1 8 仁2 3 3 w ( m ) 。采用砂岩作为骨 料的温凝土导热系数约为2 9 1 3 4 9w ( m ) 。采用轻质骨料的混凝土导 热系数约为1 1 6w ( m ) 。处于干燥状态的混凝土导热系数比混凝土在含水 状态时小，约为后者的0 6 0 7 倍。这就是说，在日照情况下，干燥状态下的混 凝土结构的温差比潮湿状态下要大一些。 骨料对混凝土比热( 也称为比热容) 的影响较明显，普通混凝土的比热为 8 7 9 1 0 5 1 0 9 x 1 0 6 j ( k g ) ，约为轻质骨料混凝土比热的1 6 倍左右。 混凝土的导温系数a 值约为7 6 6 x 1 0 1 - 9 5 8 x 1 0 。7 ( m v s ) 。如：在长沙钢筋混凝 土水塔测试中，混凝土的导温系数a = 7 8 8 x 1 0 一( m 2 s ) 。但红水河铁路斜拉桥的导温 系数为a = 1 1 8 6 x 1 0 ( m v s ) 。由此可见，导温系数随混凝土材料组成有较大变化， 而不同的测试方法也有一定影响。 1 0 武汉理l ：人学硕十学位论文 混凝土的热膨胀系数直接影响结构自由温度变形的大小，是决定温度约束 应力的主要因素之一。在常温范围内一般是不变的。一般水泥石的热膨胀系数 约为1 0 - 2 0 x 1 0 6 ，比骨料的热膨胀系数6 - - - 一1 2 x 1 0 。6 要大些。混凝土的热膨 胀系数a 介于二者之间，约为7 - 1 4 x 1 0 6 c 。当混凝土采用石灰质骨料时，它 的热膨胀系数偏小；采用砂岩或硅酸质等骨料时，它的热膨胀系数就比较大。 而轻质骨料混凝土比普通混凝土的热膨胀系数稍微小点。如：红水河铁路斜拉 桥的主梁混凝土热膨胀系数测定值为8 9 - - - 1 0 x 1 0 - 6 c ，长沙水塔混凝土测定值为 1 0 6 - 1 1 4 1 0 1 。在一般工程设计计算中，考虑温度变化引起的体积变化，即 结构变形计算中，对普通混凝土热膨胀系数可采l o x l o - 6 c 。普通骨料的钢筋混 凝土和预应力混凝土，在验算温度荷载引起的温差应力时，亦可采用1 0 x 1 0 - 6 - c 。 2 3 混凝土结构的温度分布 混凝土结构浇筑以后，由于内部水化热和外界的太阳辐射以及气温等变化 的影响，混凝土结构内部处于不同的温度状态，随时在发生变化。某一时刻结 构内部与表面各点的温度状态，即为混凝土结构物的温度分布。影响结构温度 分布的各种因素分析如下： 1 、外界条件影响 自然环境中的混凝土结构物，受大气温度变化的作用，如太阳辐射、夜间 降温、寒流、风、雨、雪等各种气象因素作用。这些因素一年四季、每天甚至 每时每刻都在发生变化。一般在每年的七至八月份出现最大气温，局部地区九 月份出现，并且在每天的1 2 _ 1 5 时出现最大值，它的极值总是在无云、无风、 干燥的高气压的日子里出现。而最低气温一般在每年的1 - 2 月份的夜间出现。 混凝土结构的实测资料表明，夏天的最高表面温度可比冬天的表面温度高出一 倍以上1 3 1 。混凝土结构的最大温差分布不一定在夏季出现，不同的地区、结构方 位与所处地理纬度等情况，也可能在秋、冬季节出现。这说明最大温差与不同 地区的季节的气候特征有密切关系。 混凝土结构中发生的温度变化，与混凝土结构的方位、表面朝向很有关系。 结构的水平表面最高温度发生在中午太阳辐射最强烈时刻之后，约在1 4 1 6 时 出现。同时，在向阳面与背阳面之间，发生最大温差。例如混凝土桥梁结构的 顶板，以及顶、底板之间会出现最大温差分布。垂直表面上的最高温度随表面 武汉理 ：人学硕十学位论文 朝向不同，出现时刻不同。一般朝东表面在上午1 0 - 1 1 时出现当天的最高温度， 朝西表面则在下午1 7 - 1 8 时出现当天的最高温度，如发生在壁板厚度方向的最 大温差分布。而桥梁结构的底板表面因终日不直接受同照作用，温度变化幅度 较小。由此可见，混凝土结构物各部分出现的温差分布与结构的方位、表面的 朝向有密切关系。 就我国来说，地理纬度对桥梁结构的顶、底板表面最大温差的影响比较小， 这是因为同一纬度上各地太阳辐射强度差异不大。但地理纬度对桥梁宽度方向 的最大温差分布有影响，并对相应时刻的项、底扳温差分布有明显影响【3 5 j 。 一般情况下，海洋性气候的地区的混凝土结构物，因日较差小，所以比大 陆性气候地区的混凝土结构物温差要小些。此外，因大气污染所形成的空气浑 浊度增大等因素作用，处于城市附近的混凝土结构物的温差比山区要小些。但 处于山区的混凝土结构物又受其特殊的地形地貌条件所制约，当它受到周围地 形的遮阳时，温差就会很小。 2 、内部条件影响 影响混凝土结构( 箱形梁桥) 温度分布的内部因素，主要由混凝土的热物 理性、构件的形状、铺装层的厚度和颜色等决定。混凝土导热系数小，在外表 面温度急剧变化的情况下，内部温度变化存在明显的滞后现象，导致混凝土内 部所得到或扩散的热量有较大的差异，形成非线性分布的温度状态。构件形状 对混凝土结构的温度分布，也有明显的影响，如在箱形桥梁结构中，沿箱形桥 梁顶板表面的温度分布比较均匀，变化幅度最大；沿腹板表面的温度分布，则 随时间而变。公路桥梁顶板上的沥青铺装层，当较厚时对顶板有明显的保温作 用，但当其较薄时因其吸热作用而对顶板不利f 2 - 3 j 。在太阳辐射作用下，混凝土 结构表面的颜色同样有明显的影响【2 】，黑色路面接受同辐射能量最多。黑色沥青 路面的表面温度可高达7 0 。c 以上，而浅色的混凝土表面约为6 0 。c 。如在九江长 江大桥引桥4 0 m 箱形桥梁的温度观测中，发现1 1 3 号与1 2 4 号梁顶板表面颜色 略有不同，测量结果表明，颜色略深片梁的表面温度比颜色浅者高5 。c 左右，颜 色深者同辐射吸收率大i 。 混凝土水化热对混凝土结构的温度分布也有较大影响，尤其是在混凝土浇 筑后不久，不仅在大体积混凝土结构中而且在断面尺寸较大的混凝土结构中 也有影响。这一影响还与施工季节、施工工艺条件( 包括采用附加剂、养护、保 温、脱模时间等) 有密切关系。 1 2 武汉理1 i 人学硕十学位论文 钢筋对混凝土结构温度分布的影响很小。如刘兴法等对壁板式柔性墩所作 的模型试验和新西兰l a n i g a n 等人所作的箱形桥梁模型试验都得出结论：钢筋对 混凝土结构的温度分布影响很小，可不予考虑。 2 4 混凝土结构的温度荷载及计算方法 不同混凝土结构的温度分布各不相同，各有其特点，即使在同一混凝土结 构中，如钢筋混凝土箱形梁中，它的温度分布也变化多端。对于这样复杂的温 度分布，我们不可能去分析计算每一瞬间的温度分布，实际上也不需要这样做。 从工程分析来讲，只需从各种复杂的温度分布中，选取某几种特定的温度分布， 也即对混凝土结构的温差应力产生最不利影响的几种温度分布。据此，可确定 设计需要的控制温度荷载。 工程结构的温度荷载是因气象条件变化而产生的，由于气象条件变化有明 显的时间特征。因此工程结构的温度荷载是一个随时间而变化的函数。分析工 程结构的温度荷载的计算方法，现有三种类型：一是按f o u r i e r 的热传导方程求 解；二是近似数值解；三是半理论半经验公式求解。 2 4 1 热传导微分方程 1 、热传导方程 混凝土构件内部和表面的某一点，在某瞬间的温度t 可用下式表示 t = f ( x ，y ，z ，z ) ( 2 - 1 ) 该点的温度丁不仅坐标x ，y ，z 有关，而且与时间f 有关。根据热传导理 论，对于均质、各向同性的混凝土，按弹性力学的推导可得到下列三维非稳态 导热方程 a ( 窘+ 窘+ 害) 叫等+ g 式中：a 混凝土的导热系数； c 混凝土的比热； ，混凝土的容重； g 混凝土单位体积内放出的热量。 ( 2 2 ) 武汉理f ：人学硕十学位论文 实测资料分析表明，混凝土工程结构的热传导状态，可近似地用一个一维 热传导状态来逼近。作这样的简化处理，从工程实用角度考虑，其近似程度仍 然是允许的，这样问题的复杂性将大大简化。例如，在运用阶段的混凝土桥梁 结构，根据实侧，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。在桥梁的横断面上，往往又存在一个主要的热传导方向， 例如公路桥梁由于太阳辐射影响，在垂直方向的热传导远远大于水平方向的热 传导。所以在工程计算中，又可略去水平方向很小的热传导作用，可用一个垂 直方向的维热传导状态来分析【3 】【3 1 1 。 2 、边界条件 在热传导初始瞬时，温度场坐标o ，y ，z ) 的已知函数为瓦o ，y ，z ) ，即当f = 0 时 r ，y ，z ) = 瓦o ，y ，z ) ( 2 3 ) 在相当多情况下，初始瞬时的温度分布可以认为是常数，即z = o 时， 丁 ，y ，z ) ；7 0 = 常数 ( 2 - 4 ) 在混凝土与基岩及新老混凝土之间的接触面上，初始温度往往不是连续的。 一般情况下，方程常用的边界条件由以下三种方式给出： ( 1 ) 第一类边界条件 混凝土表面温度丁是时间的已知函数，即 丁( 力一，p ) ( 2 - 5 ) 混凝土与水接触时，表面温度等于已知水温，属于这种边界条件。 ( 2 ) 第二类边界条件 混凝土表面的热流量是时间的已知函数，即 一a 旦：o ( 2 6 )一九= u( ) d 甩 式中：n 表面外法线方向。 ( 3 ) 第三类边界条件 当混凝土与空气接触时，假定经过混凝土表面的热流量与混凝土表面温度r 和气温l 及日辐射关系为 一a 坚；( 丁一l ) 一口，s 0 以 1 4 ( 2 7 ) 武汉理j ：人学硕十学位论文 式中：表面总放热系数，考虑对流与辐射的综合热交换： 蔽阳处气温； 口。结构表面同照辐射热量吸收系数； 5 为r 辐射强度。 当桥梁位于荫蔽处，公式中卢应取为对流放热系数，瓦为荫蔽处气温，s = 0 ： 当研究箱梁内表面时，则p 应取内部综合放热系数，t 为内部空间气温，s = o 。 工程实例表明，按第三类边界条件求解，往往要选到合适的放热系数，才 能得到较满意的计算结果。但结构边界的热交换系数的测定是很困难的，至今 缺乏这方面的实测试验数据。为简化起见，并考虑导热系数、放热系数的复杂 性，往往直接用边界的实测温度数据作为边界条件，即采用第一类边界条件。 3 、导热方程的初始条件 初始条件即温凝土结构的初始温度状态，或作为分析用的某一特定温度分 布状态，一般可选择在混凝土结构整体温度分布较均匀的时刻，对自然环境条 件变化引起的日照温度荷载，根据现场实测资料表明，这一时刻约在日