摘要：在施工過程中，混凝土橋梁會(huì)受到以太陽輻射為重點(diǎn)的日照溫度場(chǎng)作用下,這會(huì)導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的線形、內(nèi)力和各個(gè)截面的應(yīng)力都會(huì)發(fā)生變化。因此我們有必要對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)橋梁的日照溫度效應(yīng)進(jìn)行研究。
　　摘要：混凝土結(jié)構(gòu)；橋梁；日照溫度效應(yīng)
　　
　　20世紀(jì)50年代初期，前聯(lián)邦德國(guó)學(xué)者從混凝土橋墩裂縫的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析中，認(rèn)識(shí)到溫度應(yīng)力對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的重要性。我國(guó)鐵道部大橋局在20世紀(jì)50年代末對(duì)實(shí)體混凝土橋墩的溫差應(yīng)力做了調(diào)研工作。在溫度效應(yīng)研究的起步階段，國(guó)內(nèi)外都以年溫變化產(chǎn)生的均勻溫度分布為依據(jù)。隨著試驗(yàn)及理論研究的進(jìn)展。開始認(rèn)識(shí)到溫度分布的非線性問題。直到20世紀(jì)60年代初，英國(guó)D•A•Stephense的研究成果，才使對(duì)溫度效應(yīng)的研究從考慮一般的氣溫作業(yè)，進(jìn)入到考慮日照作用的新階段。在混凝土橋梁的施工階段，日照溫度場(chǎng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響不可忽略，甚至可以影響到對(duì)橋梁監(jiān)測(cè)結(jié)果是否可信的判斷。
　　由于混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)較小，在外表溫度急變的情況下，內(nèi)部溫度的變化存在明顯的滯后現(xiàn)象，導(dǎo)致每層混凝土的溫度變化有較大差異，即形成了非線性的溫度分布。
　　置于自然環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)，經(jīng)受各種自然環(huán)境條件變化的影響，其表面與內(nèi)部個(gè)點(diǎn)溫度隨時(shí)都在變化。它與所處地理位置、太陽輻射條件、結(jié)構(gòu)物的方位、朝向以及所處季節(jié)、太陽輻射強(qiáng)度、氣溫變化、云、霧、雨、雪等天氣狀況有關(guān)。在工程結(jié)構(gòu)物的內(nèi)外表面上，還不斷以輻射，對(duì)流和熱傳導(dǎo)等方式與周圍空氣介質(zhì)熱交換。因此，結(jié)構(gòu)物處于十分復(fù)雜的換熱過程中，由于自然環(huán)境條件變化所產(chǎn)生的溫度荷載，一般可分為三種類型：日照荷載、驟然降溫溫度荷載與年溫溫度荷載。
　　1，日照溫度變化
　　工程結(jié)構(gòu)的日照溫度變化很復(fù)雜，影響因素眾多，主要有以下幾個(gè)方面：太陽的直接輻射、天空輻射、地面反射、氣溫變化、風(fēng)速以及地理緯度，結(jié)構(gòu)物的方位和壁板的朝向，附近的地形地貌條件等。因此，工程結(jié)構(gòu)物由于日照溫度變化引起的表面和內(nèi)部溫度變化，是一個(gè)隨機(jī)變化的復(fù)雜函數(shù)。表面溫度變化具有明顯的諧波曲線特性，但又隨壁板朝向不同而有明顯的差別，其中既有太陽輻射的局部性原因，又有混凝土傳熱性能差的原因。因此對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)的溫度變化難以求得直接的函數(shù)解。只能進(jìn)行近似的數(shù)值解，但是在橋梁結(jié)構(gòu)物所處地的地理緯度、方位角，時(shí)間及地形條件確定的情況下，在滿足工程精度要求的前提下，從工程應(yīng)用的角度考慮，可以簡(jiǎn)化為只考慮太陽輻射和氣溫變化這兩個(gè)主要的影響因素。
　　2，驟然降溫溫度變化
　　驟然降溫溫度變化分為兩種情況：一是工程結(jié)構(gòu)物在冷空氣侵襲作用下，使結(jié)構(gòu)外表面迅速降溫，結(jié)構(gòu)物中形成內(nèi)高外低的溫度分布狀態(tài)；二是日照降溫，由于日落等因素致使結(jié)構(gòu)物外表面溫度迅速下降，此時(shí)結(jié)構(gòu)物內(nèi)表面溫度幾乎沒有變化，形成較大的內(nèi)高外低的溫差狀態(tài)。這兩種降溫溫度變化，一般只需考慮氣溫變化和風(fēng)速這兩個(gè)因素，可以忽略日輻射影響。
　　3，年溫溫度變化
　　混凝土結(jié)構(gòu)物，由于年氣溫變化引起結(jié)構(gòu)物的溫度變化，是一種長(zhǎng)期的緩慢作用，使得結(jié)構(gòu)物整體發(fā)生均勻的溫度變化。所以，在考慮年溫對(duì)結(jié)構(gòu)物的影響時(shí)，均以結(jié)構(gòu)物的平均溫度為依據(jù)，一般以最高與最低月平均溫度的變化值作為年溫變化幅度。
　　由于在橋梁的施工階段，對(duì)施工控制最為重要的是由日照溫度作用所引起的橋梁標(biāo)高和內(nèi)力的變化，而年溫變化作用和驟然降溫作用對(duì)施工質(zhì)量控制的影響均比較小，可以忽略。因此本文主要研究日照溫度變化的影響。
　　橋梁在施工階段，由于工期緊張，在各種天氣狀態(tài)下都會(huì)組織施工。對(duì)于施工控制來講，對(duì)線形和內(nèi)力影響最大的還是晴朗無云的氣溫變化。在我國(guó)南方，在每年的七、八月份的晴朗無云的天氣，太陽輻射強(qiáng)度最大，大氣溫度在白天上升十分快，一般在清晨還是20℃左右，到了中午12:00時(shí)橋面溫度就會(huì)達(dá)到40℃左右，到了下午14:30前后，橋面溫度甚至逼近50℃；而到了傍晚7:00前后，太陽落山以后，橋面溫度下降也是十分迅速，一般在短短的兩三個(gè)小時(shí)內(nèi)橋面的溫度就下降到25℃左右；在夜間，橋面溫度進(jìn)一步緩慢下降，此時(shí)由于箱形梁的封閉作用，箱內(nèi)的溫度變化很微小。在一晝夜的時(shí)間內(nèi)，箱梁頂面的溫度變化幅度非常大，而箱梁內(nèi)部的溫度變化則十分緩慢。在白天，箱梁外部溫度特別是箱頂溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于箱梁內(nèi)部溫度；在夜間直至清晨，箱梁內(nèi)部溫度要高于箱梁頂部溫度。這也就是所謂的箱梁氣溫在白天是外高內(nèi)低，夜晚是內(nèi)高外低。對(duì)于并箱來講，由于外側(cè)腹板受到太陽的照射作用，而內(nèi)側(cè)腹板終年不受太陽的照射，所以外側(cè)腹板表面的溫度變化比較復(fù)雜，內(nèi)側(cè)腹板表面的溫度變化要緩慢的多。同樣，箱梁底部也終年不受日照作用，只是與大氣存在熱交換和熱輻射的關(guān)系。
　　日照溫度效應(yīng)包括兩個(gè)方面：一是對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)線形的影響；二是對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。對(duì)于處在施工階段的大跨度混凝土橋梁來說，日照溫度作用對(duì)線形的影響很顯著。混凝土結(jié)構(gòu)的溫差應(yīng)力，實(shí)際上是一種約束應(yīng)力。當(dāng)結(jié)構(gòu)物由于溫度變化產(chǎn)生的變形受到約束時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)力，稱之為溫差應(yīng)力。反之，如果結(jié)構(gòu)物因溫度變化而產(chǎn)生的變形，能自由的伸縮時(shí)，則不會(huì)發(fā)生這種溫差應(yīng)力。約束應(yīng)力包括內(nèi)約束應(yīng)力和外約束應(yīng)力，內(nèi)約束應(yīng)力是由于結(jié)構(gòu)內(nèi)部某一構(gòu)件單元中，因纖維間的溫度不同所產(chǎn)生的應(yīng)變差，受到約束而引起的應(yīng)力，外約束應(yīng)力則是結(jié)構(gòu)或體系內(nèi)部各構(gòu)件，因溫度不同所產(chǎn)生的不同變形受到約束所產(chǎn)生的應(yīng)力。
　　溫度荷載應(yīng)力與其它荷載應(yīng)力不同，基本上應(yīng)力和應(yīng)變不再符合簡(jiǎn)單的虎克定律關(guān)系，出現(xiàn)應(yīng)變小而應(yīng)力大，應(yīng)變大而應(yīng)力小的情況，與普通荷載應(yīng)力符合應(yīng)力與應(yīng)變成正比規(guī)律的情況不同，但伯努利的平面變形假定仍然適用。溫度應(yīng)力則與平面變形后所保留的溫度應(yīng)變和溫度自由應(yīng)變差成正比。
　　由于混凝土結(jié)構(gòu)的溫度荷載沿壁板厚度方向的非線性分布，故截面上溫度應(yīng)力分布具有明顯的非線性特征；混凝土結(jié)構(gòu)的溫度分布是瞬時(shí)變化的，所以在結(jié)構(gòu)中的溫度應(yīng)力也是瞬時(shí)變化的，只是具有明顯的時(shí)間滯后性。