混凝土桥梁设计中的温度效应研究

　　摘要：当今时代，桥梁作为我国交通网络的重要节点工程开始进入大规模建设阶段。桥梁使用的桥墩、桥塔等桥梁构件尺寸也进一步变大。这些大跨度桥梁在施工和运营阶段，其桥墩、桥塔等混凝土结构很容易形成严重的环壁状开裂破坏。尤其是在较厚的T梁中，由于温度传导不及时，极易使构件的内外温差过大，导致构件产生较大的温度应力，造成构件的开裂，降低其承载能力。从目前桥梁的实际情况来看，在其受力以及变形特性方面都不可避免地沿袭了混凝土结构传热性能差的固有特点。所以桥梁设计过程中，必须考虑混凝土构件的缺陷，综合考虑温度造成的构件内外温度应力影响，科学合理地确定最终设计方案。

　　关键词：混凝土;桥梁设计;温度效应

　　引言

　　桥梁结构长期暴露于露天环境中，在太阳辐射、日温变化、年温变化、寒流等多因素的影响下，结构内部逐渐形成不均匀温度分布，对桥梁结构的内力影响显著，由此产生的温度应力与变形在桥梁设计荷载中占有很大比重。在太阳辐射条件极端的地区，日照温度作用的影响甚至超过恒载和活载成为第一控制作用，对桥梁的耐久性与安全运营造成较大的危害。

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　　1混凝土温度荷载特点

　　由于混凝土结构的热传导性较差，在长期受到温度的影响、日照的辐射以及人为因素的作用之下，会使得其表面温度急速地升高或者降低，而此时的结构内部温度并不会发生明显的变化，从而导致了混凝土结构内外温差过大，进而产生了温度变形。此外，如果混凝土结构中存在内约束与外约束，也会形成比较大的温差应力。

　　混凝土结构的温差应力属于约束应力的范畴，在环境温度的作用之下，如果混凝土结构受到约束力而产生了应力，此时一般都表现为温差应力。如果在实际使用中，混凝土结构因为温差变化而产生收缩变形，就不会存在温差应力。约束应力主要是外部约束力以及内部约束力的存在而导致的。外部约束力主要是结构系统因受到不同环境温度的影响而出现的变形约束作用，内部约束力则主要是结构内部的某部分构件中各个纤维存在不同的温度而产生的约束作用。经过大量的实践和数据统计，可以发现日照、温度骤降以及年温变化对于混凝土结构温度的影响特性。

　　上述几种荷载在对混凝土结构产生影响的过程中还存在明显的区别。比如，日照温度主要产生于自然环境中的太阳辐射，荷载作用时间比较短，各个结构受力不均衡;骤然降温主要是因为自然界中强冷空气的突然来袭而导致环境温度骤然下降，其荷载作用时间也不长，但是在混凝土结构中的作用均匀;年温变化对于混凝土结构所产生的荷载影响最为简单，所以在桥梁结构设计方案确定过程中，只需要加入经验常数即可。骤然降温对于混凝土桥梁结构的影响最为直接，在实践中需要对该荷载数据进行计算确定，但是当前还没有形成完善的理论体系，只是应用一些比较常见的计算公式来进行参数的确定。

　　2桥梁构件中热的三种传递方式

　　2.1热辐射

　　热量产生时会产生辐射能，而在热辐射的影响下，能量会发生转移且伴有不同形式的能量转化，同时由于热辐射可以在真空中传播，因此热辐射的影响不可避免。

　　2.2热对流

　　热对流指的是在温度差的影响下，结构表面与周围环境中气体或液体介质间发生热量交换的过程。

　　2.3热传导

　　热传导指的是完全接触的物体、部分接触的两个物体或同一个物体的不同部分，在温度场的影响下产生的能量转移和平衡过程。

　　3混凝土桥梁设计中的温度效应

　　3.1针对混凝土桥梁上部结构的温度效应设计

　　(1)对混凝土桥梁工程各个结构的特性进行分析，然后再进行混凝土桥梁上部结构温度荷载分项。比如，在进行钢管混凝土桥梁工程设计时，需要综合考虑钢管结构与混凝土结构之间的温差应力，同时，还需要综合考虑温差应力对于桥梁工程整体结构的影响。(2)对桥梁工程上部结构温度荷载进行分析，并将工程设计与桥梁结构体系的特性进行综合分析。桥梁工程的结构形式有很多种，因此，其温度特点也有所不同，比如，在进行混凝土拱桥设计时，需要综合考虑年温差荷载效应，而对于组合式混凝土桥梁工程，在桥梁设计环节，需要考虑不同构件之间的温差效应荷载。

　　3.2针对混凝土桥梁桥墩结构的温度效应设计

　　(1)在对混凝土桥墩温差效应进行分析时，需要考虑日照温差效应。桥梁工程桥墩一般采用固定支座形式，日照温差会对结构体系产生较大的应力作用，并且分别范围广泛。(2)掌握温差应力。很多桥梁工程桥墩施工是在水环境中进行的，施工操作复杂程度比较高，温差应力为非线性分布形式，在桥梁工程运营过程中，桥墩表面会出现应力集中问题，影响桥梁工程质量。(3)加强桥墩约束设计。桥墩受到来自于桥面以及桥墩底部的约束力，因此能够保证桥墩结构的稳定性，但是，在温差效应的影响下，桥墩自身也会产生约束力，这样就会造成墩顶发生位移，因此，在桥墩设计时，需要考虑端顶约束力。

　　4桥梁工程中常用温度效应防治措施

　　4.1保温隔热材料预防温度效应

　　温度效应比较显著的地区，通常采用保温隔热材料用以降低温度效应对桥梁混凝土构件造成的影响。根据材料性质不同，通常可以将保温隔热材料分为保温隔热板材和保温隔热涂料两类。

　　4.1.1常用保温隔热板材

　　用于保温隔热的材料通常要求其导热系数低于0.2W/m•℃，同时要保证其密度足够小，以防止保温隔热材料的使用降低桥梁构件承载力。在众多材料中，聚苯乙烯泡沫板和聚氨酯泡沫板由于其低廉的价格和优秀的保温性能成为工程中最常使用的保温隔热材料。

　　4.1.2常用保温隔热涂料

　　保温隔热涂料相较于板材施工更加快捷，在保证保温隔热功能的同时兼具了提高构件耐久性的功效，但是缺陷在于保温性能较泡沫板材差。因此保温隔热涂料常使用于年平均气温变化不大、高温高湿、降水多或光照时间长的环境中。根据保温原理不同，保温隔热材料可以分为：辐射型、阻隔型和反射型三大类。其中反射型材料是工程中最常见的保温隔热涂料。

　　4.2其他预防温度相应的有效措施

　　(1)使用合理预防和工程措施消除主跨支点周边的温度应力，尽可能保证箱梁底面应力不会有太大影响，保证纵向预应力满足要求，因此采用保温隔热涂料和在箱梁外壁铺筑保温层是最合理的选择之一。

　　(2)桥面选择深色沥青有助于降低温度效应的影响。

　　(3)在温度效应的基础上，考虑温度梯度和均匀温度对桥梁的影响。

　　结语

　　本文从混凝土结构在桥梁中受温度场应力的基本原理角度出发，分析了混凝土桥梁中三种温度传递方式(热辐射、热对流、热传导)以及诱发病害的机理，并提出减轻混凝土桥梁温度效应的设计要点，最后提出预防混凝土桥梁出现温度效应的具体工程措施，以期为未来的混凝土桥梁结构设计提供参考。

　　参考文献

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