混凝土结构桥梁的日照温度效应研究

　　摘要：在施工过程中，混凝土桥梁会受到以太阳辐射为重点的日照温度场作用下,这会导致桥梁结构的线形、内力和各个截面的应力都会发生变化。因此我们有必要对混凝土结构桥梁的日照温度效应进行研究。
　　摘要：混凝土结构；桥梁；日照温度效应
　　
　　20世纪50年代初期，前联邦德国学者从混凝土桥墩裂缝的现场调查分析中，认识到温度应力对混凝土结构的重要性。我国铁道部大桥局在20世纪50年代末对实体混凝土桥墩的温差应力做了调研工作。在温度效应研究的起步阶段，国内外都以年温变化产生的均匀温度分布为依据。随着试验及理论研究的进展。开始认识到温度分布的非线性问题。直到20世纪60年代初，英国D•A•Stephense的研究成果，才使对温度效应的研究从考虑一般的气温作业，进入到考虑日照作用的新阶段。在混凝土桥梁的施工阶段，日照温度场对桥梁结构的影响不可忽略，甚至可以影响到对桥梁监测结果是否可信的判断。
　　由于混凝土的导热系数较小，在外表温度急变的情况下，内部温度的变化存在明显的滞后现象，导致每层混凝土的温度变化有较大差异，即形成了非线性的温度分布。
　　置于自然环境中的混凝土结构，经受各种自然环境条件变化的影响，其表面与内部个点温度随时都在变化。它与所处地理位置、太阳辐射条件、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、雪等天气状况有关。在工程结构物的内外表面上，还不断以辐射，对流和热传导等方式与周围空气介质热交换。因此，结构物处于十分复杂的换热过程中，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：日照荷载、骤然降温温度荷载与年温温度荷载。
　　1，日照温度变化
　　工程结构的日照温度变化很复杂，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，其中既有太阳辐射的局部性原因，又有混凝土传热性能差的原因。因此对于混凝土结构的温度变化难以求得直接的函数解。只能进行近似的数值解，但是在桥梁结构物所处地的地理纬度、方位角，时间及地形条件确定的情况下，在满足工程精度要求的前提下，从工程应用的角度考虑，可以简化为只考虑太阳辐射和气温变化这两个主要的影响因素。
　　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，一般只需考虑气温变化和风速这两个因素，可以忽略日辐射影响。
　　3，年温温度变化
　　混凝土结构物，由于年气温变化引起结构物的温度变化，是一种长期的缓慢作用，使得结构物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，一般以最高与最低月平均温度的变化值作为年温变化幅度。
　　由于在桥梁的施工阶段，对施工控制最为重要的是由日照温度作用所引起的桥梁标高和内力的变化，而年温变化作用和骤然降温作用对施工质量控制的影响均比较小，可以忽略。因此本文主要研究日照温度变化的影响。
　　桥梁在施工阶段，由于工期紧张，在各种天气状态下都会组织施工。对于施工控制来讲，对线形和内力影响最大的还是晴朗无云的气温变化。在我国南方，在每年的七、八月份的晴朗无云的天气，太阳辐射强度最大，大气温度在白天上升十分快，一般在清晨还是20℃左右，到了中午12:00时桥面温度就会达到40℃左右，到了下午14:30前后，桥面温度甚至逼近50℃；而到了傍晚7:00前后，太阳落山以后，桥面温度下降也是十分迅速，一般在短短的两三个小时内桥面的温度就下降到25℃左右；在夜间，桥面温度进一步缓慢下降，此时由于箱形梁的封闭作用，箱内的温度变化很微小。在一昼夜的时间内，箱梁顶面的温度变化幅度非常大，而箱梁内部的温度变化则十分缓慢。在白天，箱梁外部温度特别是箱顶温度远远高于箱梁内部温度；在夜间直至清晨，箱梁内部温度要高于箱梁顶部温度。这也就是所谓的箱梁气温在白天是外高内低，夜晚是内高外低。对于并箱来讲，由于外侧腹板受到太阳的照射作用，而内侧腹板终年不受太阳的照射，所以外侧腹板表面的温度变化比较复杂，内侧腹板表面的温度变化要缓慢的多。同样，箱梁底部也终年不受日照作用，只是与大气存在热交换和热辐射的关系。
　　日照温度效应包括两个方面：一是对桥梁结构线形的影响；二是对桥梁结构内力的影响。对于处在施工阶段的大跨度混凝土桥梁来说，日照温度作用对线形的影响很显著。混凝土结构的温差应力，实际上是一种约束应力。当结构物由于温度变化产生的变形受到约束时所产生的应力，称之为温差应力。反之，如果结构物因温度变化而产生的变形，能自由的伸缩时，则不会发生这种温差应力。约束应力包括内约束应力和外约束应力，内约束应力是由于结构内部某一构件单元中，因纤维间的温度不同所产生的应变差，受到约束而引起的应力，外约束应力则是结构或体系内部各构件，因温度不同所产生的不同变形受到约束所产生的应力。
　　温度荷载应力与其它荷载应力不同，基本上应力和应变不再符合简单的虎克定律关系，出现应变小而应力大，应变大而应力小的情况，与普通荷载应力符合应力与应变成正比规律的情况不同，但伯努利的平面变形假定仍然适用。温度应力则与平面变形后所保留的温度应变和温度自由应变差成正比。
　　由于混凝土结构的温度荷载沿壁板厚度方向的非线性分布，故截面上温度应力分布具有明显的非线性特征；混凝土结构的温度分布是瞬时变化的，所以在结构中的温度应力也是瞬时变化的，只是具有明显的时间滞后性。