混凝土桥梁设计中的温度效应

混凝土桥梁设计中的温度效应

高磊

天津城建设计院有限公司 天津300122

摘要：桥梁工程作为重要的交通基础设施，对于促进我国交通运输的发展有着非常重要的作用。从当前我国的实际情况来看，很多桥梁都选择使用混凝土结构。混凝土材料具有一定的温度效应，所以在确定桥梁设计方案的过程中需要考虑温度荷载的影响，从而选择科学合理的设计方案。

关键词：桥梁设计；混凝土；温度效应

桥梁设计方案确定过程中，需要综合考虑日照、骤然降温、年温等影响因素，这主要是因为混凝土结构的热传导性非常差，在外部环境温度变化剧烈的情况下，其结构温度不会快速传递，从而造成了结构内外温差过大，最终导致温度变形。因此，在桥梁设计中，需要综合分析温度效应的影响，切实保证桥梁能够满足日常使用环境的需要。

1混凝土温度荷载的特点及分类

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[1]。

2桥梁温度场基本原理

2.1桥梁温度场内涵

桥梁的使用功能特性决定了其使用过程中必然长期暴露在自然环境中，在外界环境温度不断变化时会产生温度荷载。由于混凝土具有导热系数小的固有特性。桥梁结构表面温度无法及时传导至结构内部，在较大的温差下，结构内外的胀缩不一致，导致混凝土结构在非线性温度场下产生温度应力差。一般来讲，自然界温度作用主要包括：年温变化作用，日照温度作用和骤然降温作用这三种主要的类型。在这三种温度场中，日照温度作用的影响最为显著且变化规律也最为复杂。主要受到外界风速、气温、紫外线强度、日光照射时间等方面的影响。受其影响，温度场的变化周期短且剧烈，同时混凝土结构表面的温度分布也会随着太阳照射角度不断发生变化，意味着一天中桥梁结构表面温度最高的位置会随着时间的推移不断移动，因此，日照温差是对桥梁结构作用最为频繁也是影响最大的效应。年温变化作用其变化周期漫长，也更有规律性，通常以年均气温作为温度场对混凝土结构影响的依据。气温的骤降主要是指在受到冷空气侵袭时，气温会在短时间内急剧变化，此时桥梁构件会在短时间内受到影响。

2.2桥梁温度场基本假定

由于混凝土材料各项参数包括辐射率、密度、弹性模量、导热系数等均会随着温度的变化或多或少发生改变，因此不可能完全准确描述混凝土桥塔内部温度的变化。在应用过程中，通过对这一复杂系统进行简化可以有效模拟桥梁实际情况，并忽略不必要因素，保证桥梁模拟精度。研究过程中会对温度场进行如下假设。

2.2.1各项同性假定

在材料学中通常将混凝土材料作为均质且各向同性的材料。基于混凝土内部骨料与孔隙随机分布，相较于宏观塔桥，微观分析其力学和热学性能会随骨料特性不同而有所变化。钢筋在整个混凝土结构中所占比重过小，无法有效承担起构件整体温度传导功能，因此即便是钢筋混凝土也可以将其当作各项同性均质材料，忽略钢筋对构件整体影响。

2.2.2材料参数不随温度变化而变化

日照作用影响的混凝土构件温度变化范围在20℃以内，因此可以确定混凝土材料在力学特性和热学性质上的变化较小。故混凝土材料的各项参数在大气范围内应将其视为常数。

2.2.3假定温度场沿轴线方向分布不产生变化

在桥梁中，桥塔结构属于长细结构，其竖向高度远大于桥墩。在桥梁结构中桥塔受力产生的挠曲很小，因此将其视为等截面结构。

3桥梁构件中热的传递方式

3.1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。

3.2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。

4混凝土桥梁温度效应设计要点

4.1混凝土桥梁上部结构的温度效应设计

（1）通过综合分析桥梁构件特性后，确定上部结构的温度荷载参数。例如在设计过程中由于采用了钢管混凝土，因比热容不同产生的温度应力。另一方面要分析温差应力对桥梁工程造成的影响，在此基础上确认最终设计方案。（2）对桥梁结构特性进行温度场影响下的综合分析。选择合理的桥梁结构，在不同地区、不同工程中需要采取特定形式。

4.2混凝土桥梁桥墩结构的温度效应设计

（1）桥墩混凝土结构在受温度效应影响的分析中，日照温差是温度效应设计中需要考虑的主要因素。混凝土结构桥墩和桥梁可以选择的连接结构形式很少，为对温度效应进行分析和研究，必须结合桥梁所在地的具体气象情况来选择特定的连接形式。（2）实际情况中，部分桥墩会处于长期浸水的状态。在保证高要求施工的同时，不可避免地会出现非线性温差应力。因此经过长期使用后，桥墩极易出现应力集中现象。这对桥梁质量和未来的运营都将造成非常恶劣的影响。（3）加强桥梁设计过程中的桥墩约束设计。桥梁结构受到的约束包括：主梁和桥墩之间的约束以及桥墩底部与地基之间的约束，因此结构具有较强的整体性和稳定性。在温度场的影响下，温度应力会对桥墩结构产生较强的约束力。受其影响，桥墩可能会出现一定的横向位移。

5桥梁工程中常用温度效应防治措施

5.1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来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[2]。

5.1.1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。

5.1.2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，保温隔热涂料可以分为：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。

5.2其他预防温度效应的有效措施

（1）使用合理预防的工程措施消除主跨支点周边的温度应力[3]，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，考虑温度梯度和整体升降温对桥梁的影响。

6结论

本文从混凝土桥梁结构在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：

[1]王璐.保温隔热材料对混凝土薄壁桥塔温度效应影响研究[D].西安：西安科技大学，2019.

[2]武晓宇.混凝土连续刚构桥主梁温度效应研究[D].成都：西南交通大学，2018.

[3]万顺洪，秦异.桥梁设计中混凝土温度效应分析[J].交通世界，2019（26）：119-120.