作者：李庶安 章清涛 魏琨 张柳煜 王治国 魏亚山东高速股份有限公司 长安大学桥梁与隧道陕西省重点实验室 清华大学土木水利学院
摘 要：为研究大跨径预应力混凝土连续梁桥在实际服役环境下顶板、腹板和底板随时间变化的温度分布状况，通过埋设传感器，对依托工程桥梁在日照作用下的温度场分布做了试验研究，结果表明:在高温、风速较小的天气情况下，箱梁混凝土温度变化不同步，从外到内依次延后，温度达到极值的时间依次滞后;混凝土的内部温度变化情况最小，箱梁底板和顶板位置会出现竖向温差，腹板位置会出现横向温差，并且竖向温差也会出现在沿腹板的竖向位置。
关键词：大跨径;温度分布;温度场;试验研究;日照作用;
混凝土的温度会随着环境温度的改变而改变，同时混凝土导热性能差，其温度变化相较于环境温度变化在时间上存在着滞后性，同样混凝土表面和内部的温度也存在滞后性。混凝土表面受环境影响最大，一旦环境温度升高，混凝土表面温度会随着升高，但由于混凝土的导热性能差，导致了内部混凝土温度变化缓慢，从而造成了混凝土表面和内部具有较大的温度差，使得在截面的不同高度处温度不同，进而在截面上产生了温度应力，这是因为结构在支座等边界条件的约束下，由于温度的变化而造成热胀冷缩使结构不能自由变形而产生的温度应力。近年来对这方面的研究也不少，黄全成等人对高速磁浮大型箱梁日照温度效应进行了分析，吴清伟等人进行了了日照下混凝土箱梁温度场数值分析研究，姚彬等人研究混凝土箱梁日照温度效应，张欣等人研究了高速铁路简支箱梁日照温差的变化规律。有研究表明，日照会使施工中的桥梁温度应力超过荷载应力。有工程实例表明，温度应力是导致桥梁等大型混凝土结构裂缝的重要原因。因此，研究混凝土结构的温度场分布显得尤为重要。研究资料表明，在日照温度影响下，沿桥梁纵向温度是均匀变化的，太阳辐射在桥梁纵向可以认为是近似不变的，所以太阳辐射条件下主要在箱梁竖向和横向存在温度梯度。因此，我们重点在箱梁截面横桥向和竖桥向布置温度传感器来观测在日照条件下箱梁温度场的变化。
1 试验概况1.1 依托工程
该桥主桥为悬臂施工的大跨度预应力混凝土连续梁桥，主桥共三跨，主跨130m，边跨75m。主桥采用预应力混凝土变截面连续的单箱三室的箱梁桥，主桥桥墩采用端部为圆形的矩形墩，主桥边墩及引桥桥墩采用矩形墩，承台均为桩基础。
该桥位于济南市城区东北方向，桥址处的纬度处于中纬度，因为太阳辐射、大气环流和地理环境的影响，本地气候特点是:季风明显，四季容易区分，冬天冷夏天热，雨量相对集中。
1.2 试验装置
试验装置主要包括用于测试的MWY-FBG-TJ型光纤光栅式温度传感器、用于采集监测的36通道光纤光栅激光解调仪和配套的FBG解调仪监测软件。测试装置选择MWY-FBG-TJ型光纤光栅式温度传感器，其可以对结构表面及内部进行温度测试，也可以用来测表面的温度以粘附在被测物的表面的方式或者是埋在被测物体内。
试验所采用的光纤光栅传感器，具有以下优点:
(1)抗电磁干扰能力强;
(2)测量精度高，质量轻等特点;
(3)可实时在线监测。
采用可以在一根光纤中串接多个光纤光栅温度传感器的波分复用技术，这种技术可进行分布式测量，很适用于桥梁结构，并且可利用监测系统长期观测。
采集监测装置采用36通道的解调仪，并用光纤数据采集系统进行控制，后续在远程客户端进行连续不断的监测。
光纤光栅温度传感器、36通道光纤光栅激光解调仪和配套的FBG解调仪监测软件如图1～图3所示，温度传感器现场安装如图4所示。
图1 光纤光栅温度传感器 下载原图
图2 光纤光栅传感器激光解调仪 下载原图
图3 FBG解调仪监测系统软件 下载原图
图4 箱梁现场布设的传感器 下载原图
1.3 试验方案
选择右幅桥梁，传感器截面布置在12#墩中跨方向，为12号墩悬臂根部，中跨1/4处和中跨1/2处。对于温度场的测试，选择悬臂根部截面和中跨1/4截面进行测试。小清河特大桥主桥传感器观测截面位置如图5所示。
图5 观测截面位置图 下载原图
测试截面共布置19个测点，截面较厚的位置处进行加密，具体布置方法是:
顶板位置:在顶板的南北方向各布置一处，温度传感器和应变传感器沿顶板厚度方向呈上中下依次安放排列。
腹板位置:南侧外腹板和北侧外腹板在腹板高度中间位置呈外中内方向依次布设三个温度传感器和一个应变传感器，中腹板在腹板高度中间位置布设一个温度传感器和一个应变传感器。
底板位置:三个温度传感器被分布在两个箱室底板位置处，位置为沿高度方向呈上中下。应变传感器被设在两侧腹板与底板相交的地方。
两个观测截面在箱梁高度方向和宽度方向都布设了温度传感器，主要来测试箱梁横桥向和竖桥向的温度梯度变化情况。此外，分别在悬臂根部和中跨1/4处设置了用来进行温度检测的测试截面，目的是对比分析两个截面上温度数据差异情况，以便观察桥梁在日照条件影响下，桥梁纵桥向箱梁截面的温度变化情况。观测截面具体的传感器布置如图6和图7所示。
图6 悬臂根部位置传感器布置图 下载原图
图7 中跨1/4位置传感器布置图 下载原图
2 数据分析
太阳辐射作用是结构物热交换主要来源，也是混凝土结构产生温差荷载的主要因素。研究混凝土温度场的正温差一般选择太阳辐射较强，热交换效率比较高的高温、清空万里的天气情况下进行。因此为了研究日照作用下混凝土连续箱梁桥内部的温度变化规律及其在结构中的分布形式，特定选取了炎热夏季。由于测试时间段很多，数据量内容庞大，本部分仅选取了08月17日到08月19日两天的数据，这两天天气情况良好，清空万里，风速较小，气温变化平稳，所以选择这两天的数据分析混凝土内部温度场变化规律。
2.1 箱梁顶板温度场变化规律
太阳直射梁顶板上缘的全部，故顶板长期处于辐射吸热的热量传递状态下，顶板升温最快。但是，由于混凝土的热传导系数小，热量传递滞后，导致顶板竖向方向温度变化不一致。因为顶板的厚度和传热面积等原因，使这种温差在顶板和腹板和底板位置上有差异。
现选取08月17日上午11时到08月19日上午11时两天的测试数据进行分析。箱梁顶板竖向温度变化规律如图8所示。
图8 箱梁顶板竖向温度变化规律图 下载原图
图8直观地表现出了8月17日到8月19日这两天的顶板温度变化情况，从图中们可以看出，
(1)顶板温度变化均呈正弦曲线式周期变化，其温度变化规律接近环境的变化规律，但是顶板的温度变化呈现滞后，而且在竖向方向上顶板不同位置处的温度存在差异。
(2)太阳出来后，顶板被太阳直射，其内部温度升高，在18:00左右，板上表面位置温度达到最大为36.5℃;在20:00左右，板中部混凝土温度达到最大为31.1℃;在23:00左右，板下部混凝土温度达到最大为38.8℃。
(3)夜间气温降低，导致顶板温度也下降，因为混凝土传热性能差，顶板温度滞后环境温度变化。在06:00左右，环境温度达到最低;在08:00左右，顶板上表面温度最低，为24.6℃;在11:00左右，顶板中部位置温度最低，为24.9℃;在13:00左右，顶板下部位置温度最低，为25.6℃。
(4)顶板竖向温差变呈正弦曲线式周期变化，在18:00左右，顶板上下位置竖向温差达到最大，为8.9℃;中部和下部位置相对上部位置温度峰值延后，在05:00到06:00时间段内，环境温度、箱室内部的温度及顶板混凝土内部温度都最低，顶板厚度方向的温差最小，温差达到0.4℃。在05:00到11:00时间段内，顶板竖向存在负温差，此时表面温度虽然下降，但是由于吸热慢，放热也慢，这时的下表面还处于吸热阶段，内部的温度还在上升，两者之间的温度变化不一致导致负温差的产生。
2.2 箱梁腹板温度场变化规律
影响腹板温度差异的因素有:桥梁走向、太阳辐射角度、翼缘板的遮挡等。该桥为东西走向，每天太阳辐射对箱梁的南北两侧腹板会产生不同的影响，北侧腹板全天无太阳辐射，然而日间的太阳辐射会影响南侧腹板，所以南侧腹板吸收的热量要比北侧腹板多，两侧腹板内的混凝土温度存在差异。箱室腹板的温度变化规律如图9所示。
图9 箱梁腹板横向温度变化 下载原图
图9直观地表示出了17日到19日两天箱梁腹板温度的变化情况，从图中可以得知:
(1)箱室南北两侧腹板温度均呈正弦曲线式周期变化，且腹板最外侧混凝土受环境影响大，一天内的温度变化趋势同环境温度变化趋势，但达到温度峰值的时间相对延后。
(2)南侧腹板外表面混凝土一昼夜的温度变化是先上升后下降。这是因为南侧腹板在白天时间段内直接通过太阳辐射吸收热量，温度逐渐上升。经过白天的升温，在19:00腹板外表面温度达到最大，为35.1℃。随着夜晚来临，太阳辐射逐渐减弱，气温也会降底。此候，腹板温度高于周围的空气温度，腹板表面的温度在周围环境影响下减小。经过一夜降温，腹板外表面温度在第二天上午08:00左右达到温度最低值24.2℃。白天的太阳辐射作用以及环境气温变化对腹板中间和内部测点的温度变化影响小，温度峰值比表面混凝土温度峰值相对延后，温度最大值大约出现在22:00，全天温差在5℃范围以内。
(3)北侧腹板处在背阴面，全天不直接受到太阳辐射的影响，腹板混凝土与外界环境的热传递来吸收热量，所以外表面混凝土的温度变化趋势同环境温度变化趋势。北侧腹板横向温度变化规律和南侧腹板类似，但是由于处于背阴面，所以温度最大值要比向阳面腹板温度最大值小，相比之下，北侧腹板温度峰值只有30.4℃，低于同一时间下南侧腹板的温度。但是北侧腹板的全天温差要比南侧腹板小，南侧腹板温差达到11.4℃，北侧腹板全天温差在5℃左右。对于腹板中间和内部的混凝土，由于混凝土的热传导性低，腹板内部混凝土的温差都要比外表面混凝土的温差小，全天温差在4℃以内。
(4)箱梁中腹板所处的箱室环境接受不到太阳辐射，风速几乎为零，所以温度变化很小，腹板全天温度处于25℃～26℃之间。
2.3 箱梁底板温度场变化规律
底板混凝土的温度受太阳辐射的作用比较小，可不计。周围环境和底板混凝土间进行的的热量交换，吸收热量主要是通过与外界空气对流与热辐射，所以环境温度的变化情况决定着底板下表面的混凝土温度变化，他们具有相同的的温度变化趋势。底板竖向方向温度变化比较稳定，受环境影响较小。图10为底板混凝土温度随时间变化图。
图1 0 箱梁底板竖向温度变化图 下载原图
从图10可以看出:
(1)箱梁底板上、中、下三个位置的混凝土温度变化均为正弦曲线式周期变化，且底板下表面位置混凝土温度起伏变化最明显，温度趋势和顶板、腹板走势一致。白天经过太阳辐射过程，底板混凝土温度上升，其中下表面混凝土温度最大值大约出现在18:00，进入夜间之后，气温变小，底板下表面混凝土温度开始下降，08:00左右达到温度最低。一天内下表面混凝土的温差在5.7℃左右。
(2)对于底板中间部分混凝土温度，由于混凝土导热性差，中间部分的混凝土温度不能同时变化，温度开始逐渐降低的时刻比较晚，在22:00左右，出现温度的最大值，然后降低。温度达到最低值的时刻同样延后，在10:00左右才能达到温度最小值。
(3)太阳辐射并未直接作用于底板上表面所处的箱室环境，由其而导致的温度变化很小，可不计，且箱室内风速几乎为零，温度变化非常稳定，但也存在上升下降过程，全天温度保持在24.1℃～26.3℃范围内。
3 结论
(1)在高温，风速较小的天气情况下，箱梁混凝土温度变化不同步，且从外到内依次延后，温度达到极值的时间也依次滞后，外表面部分混凝土的温度最大值大约出现在18:00，温度最小值大约出现在08:00。
(2)箱梁中腹板不受外界太阳辐射影响，所处的箱室环境比较稳定，箱梁中所布置的全部测点中，温度变化情况最小的主要集中在混凝土的内部。
(3)箱梁底板和顶板位置会出现竖向温差，腹板位置会出现横向温差，并且竖向温差也会出现在沿腹板的竖向位置，这与规范中所规定的沿梁高方向存在温差是一致的。这是由于梁高方向各部位接受太阳辐射的强度和时间有差异，造成温度分布不均匀。
参考文献
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