桥梁结构温度效应理论

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1、桥梁结构理论任课教师：吴金荣安徽理工大学土木建筑学院桥梁结构温度效应理论温度分布温度荷载桥梁结构纵向温差应力通解任意截面上的纵向温差自应力T形和形梁的纵向温差自应力箱形截面的温差应力桥梁墩柱温差应力20世纪50年代初期，前联邦德国学者从混凝土桥墩裂缝的现场调查分析中，认识到温度应力对混凝土结构的重要性。我国铁道部大桥局曾在20世纪50年代末对实体混凝土桥墩的温度应力做了调研工作。在温度应力研究的起步阶段，国内外都以年温变化产生的均匀温度分布为依据。随着试验及理论研究的进展，开始认识到温度分布的非线性问题。到20世纪60年代初，英国D.A.Stephenso

2、n的研究成果，才使对温度应力的研究从考虑一般的气温作用，进入到考虑日照作用的新阶段自20世纪60年代以来，国内外都发生由于温度应力而导致混凝土桥梁严重裂损的事故。FritzLeonhardt曾提到：在箱形桥梁和肋桥梁的顶面和下缘之间温差可达到27～33℃；预应力混凝土箱形桥梁大都因温差应力而损坏。随着空心高桥墩、大跨度预应力混凝土箱梁桥等一些混凝土结构的发展，温度应力对混凝土结构的影响和危害，已越来越引起工程界的重视。温度应力分为两种：温度自约束应力或温度自应力：在结构物内部某一构件单元中，因纤维间的温度不同，所产生的应变差受到纤维间的相互约束而引起的应力

3、。温度次约束应力或温度次应力：另一种是结构或体系内部各构件，因构件温度不同所产生的不同变形受到结构外支承约束所产生的次内力的相应应力。温度应力具有明显的时间性、非性线，且应力、应变有时并不服从虎克定律。温度分布是指在混凝土结构中，某一时刻结构内部与表面各点的温度状态。由于混凝土的导热系数较小，在外表温度急变的情况下，内部温度的变化存在明显的滞后现象导致每层混凝土所得到或扩散的热量有较大的差异，形成非线性分布的温度状态。影响混凝土温度分布的外部因素主要有：大气温度变化的作用，如太阳辐射，夜间降温，寒流，风、雨、雪等各种气象因素的作用。影响混凝土温度分布的内部

4、因素主要由混凝土的热物理性质和构件的形状等决定。值得注意的是，本章大多提及混凝土桥，原因是混凝土抗拉能力较差，对温度更敏感。温度对其它材料桥梁同样重要。且本章分析方法亦同样适用。1.温度分布混凝土的导热系数和比热等热工参数性质的主要影响因素是其配合料，而混凝土的龄期与水灰比则对混凝土的热工参数影响较小。骨料对混凝土导热系数的影响较大。一般骨料混凝土的导热系数约为1.86～3.49W/(m·s.℃)（约为黑色金属的1/27）而采用轻质骨料混凝土的导热系数约为1.16W/(m.·s.℃)骨料对混凝土比热的影响也较明显普通骨料混凝土的比热为800～1200J/（

5、kg℃），约为轻质骨料混凝土比热的1.6倍左右。在常温范围内混凝土的线膨胀系数一般是不变的，轻质骨料混凝土的数值较小。在一般工程计算中，普通骨料的混凝土、钢筋混凝土和预应力混凝土，线膨胀系数可采用1.0×10-5/℃。（1）箱形桥梁现代大、中跨径桥梁常用的结构形式，现以双室箱梁为例，下图示出几个时刻的温度分布状态，其具有明显的指数曲线特征（2）双T形桥梁这是中、小跨径桥梁常用的截面形式，例如多T形、形桥梁或板梁式结构等。但这种桥梁的温度分布实测资料较少，根据箱形桥梁的实测资料分析，拟定双T形桥梁可能的温度分布，如图所示。（3）箱形桥墩以实测资料分析，箱形薄

6、壁空心桥墩的温度分布如图所示。（4）板式墩板式柔性桥墩的实测温度分布（5）桥梁构件温度分布的特点以上可见，桥梁构件的构造对温度分布有明显的影响。在混凝土箱形截面桥梁中，沿箱梁顶板表面温度分布比较均匀，但沿腹板表面的温度分布则随时间而变。混凝土塔柱、墩柱结构垂直表面的温度分布，随其表面的朝向、太阳方位角的变化而异。钢筋对混凝土构件温度分布的影响较小，可不予考虑。公路桥梁顶板上的沥青路面层，当其较厚时对顶板有明显的降温作用，但较薄时因其吸热作用而对顶板不利。温度荷载是分析温度应力的前题，它与一般桥梁荷载有质的区别，即具有时间性、空间性和结构个性。1)温度荷载的

7、特点混凝土桥梁构件的表面与内部各点的温度随时都在发生变化，但就自然环境条件变化所产生的温度荷载，一般可分为日照温度荷载、骤然降温温度荷载及年温度变化荷载三种类型。这三种温度荷载的特点汇总于下表中。2.温度荷载各种温度荷载特点特点温度荷载主要影响因素时间性作用范围分布状态对结构影响复杂性日照温度太阳辐射短时急变局部性不均匀局部应力大最复杂骤然降温强冷空气短时变化整体较均匀应力较大较复杂年温变化缓慢温变长期缓慢整体均匀整体位移大简单影响桥梁结构日照温度变化的主要因素是太阳辐射强度、气温变化和风速，而从设计控制温度荷载来考虑，实体上可简化为太阳辐射与气温变化因素

8、。骤然降温一般只要考虑气温变化和风速这两个因素，可以忽略太阳辐射的