作者：李庶安 章清濤 魏琨 張柳煜 王治國(guó) 魏亞山東高速股份有限公司 長(zhǎng)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(shí)間變化的溫度分布狀況，通過(guò)埋設(shè)傳感器，對(duì)依托工程橋梁在日照作用下的溫度場(chǎng)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(shí)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(huì)出現(xiàn)豎向溫差，腹板位置會(huì)出現(xiàn)橫向溫差，并且豎向溫差也會(huì)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(chǎng);試驗(yàn)研究;日照作用;

　　混凝土的溫度會(huì)隨著環(huán)境溫度的改變而改變，同時(shí)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(shí)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。混凝土表面受環(huán)境影響最大，一旦環(huán)境溫度升高，混凝土表面溫度會(huì)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(lái)對(duì)這方面的研究也不少，黃全成等人對(duì)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(chǎng)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(jiǎn)支箱梁日照溫差的變化規(guī)律。有研究表明，日照會(huì)使施工中的橋梁溫度應(yīng)力超過(guò)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(chǎng)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(yáng)輻射在橋梁縱向可以認(rèn)為是近似不變的，所以太陽(yáng)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(lái)觀測(cè)在日照條件下箱梁溫度場(chǎng)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(tái)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?yáng)輻射、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(duì)集中。

　　1.2 試驗(yàn)裝置

　　試驗(yàn)裝置主要包括用于測(cè)試的MWY-FBG-TJ型光纖光柵式溫度傳感器、用于采集監(jiān)測(cè)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(cè)軟件。測(cè)試裝置選擇MWY-FBG-TJ型光纖光柵式溫度傳感器，其可以對(duì)結(jié)構(gòu)表面及內(nèi)部進(jìn)行溫度測(cè)試，也可以用來(lái)測(cè)表面的溫度以粘附在被測(cè)物的表面的方式或者是埋在被測(cè)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(cè)量精度高，質(zhì)量輕等特點(diǎn);

　　(3)可實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。

　　采用可以在一根光纖中串接多個(gè)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(cè)量，很適用于橋梁結(jié)構(gòu)，并且可利用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)長(zhǎng)期觀測(cè)。

　　采集監(jiān)測(cè)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(cè)。

　　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(cè)軟件如圖1～圖3所示，溫度傳感器現(xiàn)場(chǎng)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(cè)系統(tǒng)軟件 下載原圖

　　圖4 箱梁現(xiàn)場(chǎng)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(hào)墩懸臂根部，中跨1/4處和中跨1/2處。對(duì)于溫度場(chǎng)的測(cè)試，選擇懸臂根部截面和中跨1/4截面進(jìn)行測(cè)試。小清河特大橋主橋傳感器觀測(cè)截面位置如圖5所示。

　　圖5 觀測(cè)截面位置圖 下載原圖

　　測(cè)試截面共布置19個(gè)測(cè)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(gè)溫度傳感器和一個(gè)應(yīng)變傳感器，中腹板在腹板高度中間位置布設(shè)一個(gè)溫度傳感器和一個(gè)應(yīng)變傳感器。

　　底板位置:三個(gè)溫度傳感器被分布在兩個(gè)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(gè)觀測(cè)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(lái)測(cè)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(lái)進(jìn)行溫度檢測(cè)的測(cè)試截面，目的是對(duì)比分析兩個(gè)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(cè)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(yáng)輻射作用是結(jié)構(gòu)物熱交換主要來(lái)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(chǎng)的正溫差一般選擇太陽(yáng)輻射較強(qiáng)，熱交換效率比較高的高溫、清空萬(wàn)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(cè)試時(shí)間段很多，數(shù)據(jù)量?jī)?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(wàn)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(chǎng)變化規(guī)律。

　　2.1 箱梁頂板溫度場(chǎng)變化規(guī)律

　　太陽(yáng)直射梁頂板上緣的全部，故頂板長(zhǎng)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(shí)到08月19日上午11時(shí)兩天的測(cè)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(yáng)出來(lái)后，頂板被太陽(yáng)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羵鳠嵝阅懿睿敯鍦囟葴蟓h(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(duì)上部位置溫度峰值延后，在05:00到06:00時(shí)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(shí)間段內(nèi)，頂板豎向存在負(fù)溫差，此時(shí)表面溫度雖然下降，但是由于吸熱慢，放熱也慢，這時(shí)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(chǎng)變化規(guī)律

　　影響腹板溫度差異的因素有:橋梁走向、太陽(yáng)輻射角度、翼緣板的遮擋等。該橋?yàn)闁|西走向，每天太陽(yáng)輻射對(duì)箱梁的南北兩側(cè)腹板會(huì)產(chǎn)生不同的影響，北側(cè)腹板全天無(wú)太陽(yáng)輻射，然而日間的太陽(yáng)輻射會(huì)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(shì)同環(huán)境溫度變化趨勢(shì)，但達(dá)到溫度峰值的時(shí)間相對(duì)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(shí)間段內(nèi)直接通過(guò)太陽(yáng)輻射吸收熱量，溫度逐漸上升。經(jīng)過(guò)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(lái)臨，太陽(yáng)輻射逐漸減弱，氣溫也會(huì)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(guò)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(yáng)輻射作用以及環(huán)境氣溫變化對(duì)腹板中間和內(nèi)部測(cè)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(duì)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(yáng)輻射的影響，腹板混凝土與外界環(huán)境的熱傳遞來(lái)吸收熱量，所以外表面混凝土的溫度變化趨勢(shì)同環(huán)境溫度變化趨勢(shì)。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(yáng)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(shí)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(duì)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(yáng)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(chǎng)變化規(guī)律

　　底板混凝土的溫度受太陽(yáng)輻射的作用比較小，可不計(jì)。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(guò)與外界空氣對(duì)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(shì)。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(shí)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(gè)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(shì)和頂板、腹板走勢(shì)一致。白天經(jīng)過(guò)太陽(yáng)輻射過(guò)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(kāi)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(duì)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(shí)變化，溫度開(kāi)始逐漸降低的時(shí)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(shí)刻同樣延后，在10:00左右才能達(dá)到溫度最小值。

　　(3)太陽(yáng)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(jì)，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(guò)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(shí)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(yáng)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(cè)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(huì)出現(xiàn)豎向溫差，腹板位置會(huì)出現(xiàn)橫向溫差，并且豎向溫差也會(huì)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(yáng)輻射的強(qiáng)度和時(shí)間有差異，造成溫度分布不均勻。

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