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高海拔峡谷地带薄壁空心高墩建筑日照温度效应研究

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义
近些年来,随着我国西部大开发战略的实施,交通建设的重点向西部地区转移,西北地区海拔高,地势起伏显着,峡谷较多,这些特有的地势、地貌决定了必将修建大量的高墩桥梁。西北地区有其独特地域特征,该地区高寒、缺氧、干旱、多风且风力大,尤其是青海地区的高原大陆性气候,具有气温低、昼夜温差大、降雨少而集中、日照长、太阳辐射强等特点,在此修建高墩桥梁将面临众多难题,而西北地区高墩桥梁建设经验和研究资料还相应较少,设计和施工中需要解决的问题还很多。对于高墩桥,现代桥梁设计者们青睐于薄壁、大跨、轻型的桥梁,因为其投资少、效益高、美感足,而且下部结构功能得到提高。薄壁空心高墩在工程界应用的非常广泛,不仅仅是因为其节省材料减少自重,更重要的是它在比较稳定的基础上又有一定的柔性能够满足上部结构的位移需要。然而,混凝土桥梁结构长期露置于外界环境中,在承受自重荷载、活动荷载等外部荷载的同时,还要长时间遭受到太阳直接辐射、雨雪风霜、外部空气温度变化等反复作用。这些气象因素是不确定的、随机的。由于混凝土导热性能差,外部温度迅速升高或降低时,内部温度变化缓慢或者基本不变,明显滞后于外表面,于是混凝土内部形成了较大的温度梯度。进而产生了较大的温度应力。在夏天,当云层稀薄,风速较低时,此时太阳辐射很强烈,温度效应更加显着。这种温差应力将会使桥梁结构产生裂缝并加速其发展,减少了桥梁的使用寿命,甚至影响到桥梁的安全[1,2]。以前的专家学者对预应力箱形桥墩做了很多模型试验并且进行了较多的现场观测,发现并且证实了空心桥墩的混凝土在外界因素影响下出现了相当大的温差。在箱形薄壁空心桥墩中,其厚度为 0.25m 墩壁,墩壁内外的气温差只有 2-3 C°时,桥墩内外壁的温差就可以超过 15 C°[1]。在遇到高温天气或者在日照辐射强烈环境下,结构产生的温差更大,其温度效应也就更加明显[3]。最初人们想通过减少作用在结构物上的荷载来达到防止裂缝的目的,但是被证实是行不通的。分析结果表明,并不是施加在结构物上的荷载引起的应力导致了混凝土表面的大部分裂缝,其主要因素是温差等引起的局部应力和约束应力,并且这种温差应力在自然界中无法避免[1]。桥墩横截面温度分布随时间是非线性的,所以会使结构变形。当变形受到墩顶支座或其他的约束时,结构内的会产生非常大的温差应力,这种应力有时比结构荷载所产生的应力还要大,其数值有可能超过了混凝土的抗拉强度[3]。所以,温度效应对桥梁安全不容忽视,也是设计者们要考虑的重要因素之一,研究分析混凝土桥梁结构的温度效应问题,对控制桥梁结构的裂缝是十分重要的。
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1.2 国内外研究现状
在 20 世纪 50 年代,外国专家就开始研究日照对混凝土结构温度影响。起初学者们的观点是因为存在年温差导致混凝土结构产生了温度应力,而且温度应力只存在于有超静定结构,静定结构中不存在。然而,研究者最终在一些桥梁工程的事故中证实,桥梁结构在建造和运营过程中产生裂缝的原因,就是在结构设计过程中设计者没有考虑到了温度应力对结构的不利影响。此后,相关研究人员一直在研究混凝土结构内部的非线性分布的温度效应,并且至今尚未停止。在上世纪 60 年代,英国的研究者 Emerson[6]对比分析了气象数据和桥梁实际测量温度数据后,发现用大气温度的最值可以近似确定混凝土桥梁年温度变化的范围。美国的 ZUK[4,5]根据气象材料的分析和估计,提出了混凝土桥梁结构的温度分布规律,并给出了梁顶内壁最大温差的近似理论方程的计算。为了得出沿着混凝土结构的壁厚温度场分布规律,英国的 D.A.Stephenson[7]用指数函数对其进行了分析。德国的 Kehlbeck F.[8]综合分析了各种气候因素下太阳辐射对桥梁结构表面各部分的温度影响。新西兰的 Priestley M. J. N.[10,12,13]和 Kennedy J.B[11]现场观测和试验中,以及 Kehlbeck F.的研究结论中,都肯定了混凝土桥梁结构中的温度分布是非线性的。Elbadry M.M 和 Ghali A.[14,15]对影响混凝土箱梁日照温度分布因素做了全面的研究分析,如太阳辐射、风速、气温变化、地理纬度等等。Imbsen R.A 和 PotgieterI.K 等[21,22]根据以往气象数据资料来确定最极端气象条件,对混凝土箱梁的温度场分布做了很多的数值分析和计算,并且根据气候的不同,把美国划分为多个不同的气象区域,研究发现,不同气象区域的温差设计值差别较大。Fernando A. Branco 和 Pedro A. Mendes[16]基于 Fourier 热传导方程及相关边界条件,在充分考虑了桥梁温度场的影响因素后,如桥梁截面几何尺寸、桥梁走向及周围环境等,通过有限元法来计算分析混凝土桥梁的温度场分布,将其计算结果与桥梁温度场实测数据对比分析,证明有限元方法对于计算混凝土桥梁结构的温度分布是比较准确合理的。韩国的 Chang S.P.和 Im C.K.[17]用一年多的时间对某钢-混组合梁桥进行了温度场分布测试,统计得出产生温度荷载的有关参数,并将这些参数应用到不同温度场影响因素下的其他同类桥梁结构的温度荷载计算。温度应力方面,德国的 Fritz Leonhardt 最先研究得出了混凝土箱梁的温度效应有关结论,估算了桥梁结构的横向温度应力,并且认为混凝土箱梁出现裂缝的主要原因是结构内部产生了温度应力。德国的 Kehlbeck F.[8]基于一维不稳定热传导理论,采用解析法求得了混凝土壁板的自约束应力和外约束应力,不过此方法计算过程比较复杂,在实际工程应用中不方便。
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第二章 温度场和温度效应问题的基本理论

2.1 概述
温度是表示固、液或气体的任意部分的冷或热的量度,也可以定义为一个系统与其他系统达到热平衡时的参数。温度差是热量传播的唯一理由,从实际观测经验可得出这样一个结论,即物体的空间位置上的每一点都只有一个唯一的温度值,物体上所有的温度值就构成了温度场或者说温度分布[37]。温度应力是温度效应的中典型的一种,它是土木工程、水利等领域经常遇到的重要问题。温度应力由于物体温度发生变化(即变温)而产生的一种应力,它与温度本身没有关系。要求解物体的温度应力,首先要求解得出物体中的温度场,这用热传导理论可以得到解决,同时知道两个时刻物体的温度场之差(即变


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