大桥温度场现场监测试验研究及分析

1、第 页共12页松花江大桥温度场现场监测试验研究及分析【内容提要】为保证大桥施工达到设计要求的内力状态和线形，使施工各阶段的受力和线形更接近监控计算，本文以松花江大桥施工背景为例,结合本工程的所处的地理环境情况，对松花江大桥现场温度场进行了实地的监测和试验分析研究，并分析了温度效应对结构的影响，得出了一些有意义的结论，以期对寒冷地区的桥梁建设及施工监控提供一些参考性资料。【关键词】内力状态；线形；温度场；温度效应；施工监控工程概况松花江大桥所在地区气候属大陆季风性气候，为北寒带气候条件，冬季长达五个月之久，春秋季节较短。年平均气温为5.TC，极端最高气温为39.1极端最低气温为-41.4C；年均

2、降雨量为523.3mm,降雨期集中在68月份；年平均日照时数约为2500小时，无霜期约150天；年平均蒸发量1508.7mm；地面稳定冻结日期为11月下旬，稳定解冻日期为第二年4月中旬。冬季主导风向为SSW，最大风速为26m/s。最大冻深为2.05m。本地区气候特点是冬季受极地大陆气团控制，严寒干燥；夏季受副热带海洋气团的影响，气候炎热多雨；春秋两季因受冬、夏季风交替影响，气候多变，春季多大风，降水少蒸发快，易发生干旱；秋季多寒潮侵袭，降温急剧，易发生冻害。地理位置位于东经12636451264827，北纬453817455215之间，行政区划属于哈尔滨市区。松花江大桥现场温度监测与试验2.1

3、温度监测（1）测试仪器及接收仪的选择图1JMT-36C型温度温度传感器在连续梁桥上，用于桥梁结构温度测试的常见元件有热电阻、热敏电阻、热电偶等。其中热电阻是利用导体的电阻材料随温度的变化的特性而制成的测温计；热敏电阻是利用半导体的电阻随温度变化的特性测试物体温度的；热电偶是利用物理学中的塞贝壳效应制成的温度传感器。根据对多种温度测试仪器的性能比较，由于热电阻具有构造简单、适用方便、有较高的精确度和良好的敏感度的特点，并考虑要适合长期观测并能保证足够的精度，在本桥的温度监测中将选用长沙金码高科技有限公司生产的JMT36C型温度温度传感器（如图1所示）为温度监测仪器。其主要性能指标如下：量程：一2

4、0110C；精度：1C；线性误差：0.1C。读数仪采用和JMT36C型温度温度传感器配套得JMZX300X综合测试议，（如图2所示）。主要性能指标：振弦频率：6003500HZ；混凝土应变：1500憾；压力：05000kN；压强：4MPa；温度：一20110C；振弦频率精度：0.10.1HZ应变精度：2陆；压力精度：1kN；温度精度：0.1C。使用环境：图2JMZX-300X综合读数仪温度：10C40C；相对湿度：W90%RH；大气压力：86108kPa；外形尺寸：222mmx165mmx160mm；质量：7.3kg。箱内外空气温度的监测采用哈尔滨物格科技有限公司生产的PD系列长期数据记录仪，

5、采用电池供电，用于长期信号的自动测量记录，可以记录环境温度、相对湿度、大气压力等，记录间隔从5秒到1个小时可自动设置，记录时间最长可达一年，测量信号多样，即使记录仪断电，数据也不会丢失，可保持10年之久。（2）根部截面温度测点布置在每个墩的两侧根部截面都反对称布置温度传感器，每个截面布置3个温度测试点，将温度传感器用细丝绑扎在预定位置的钢筋上，然后浇筑在混凝土内，同时注意对传感器振捣时的保护，并将导线放入塑料管引入箱内。这样的布置方式是为了测出温度沿主梁截面高度的梯度变化。具体测点布置如图3所示。图3根部截面温度测点布置图0#块温度测点布置0#块温度传感器主要是用于测量实际浇筑混凝土的水化热，

6、测量混凝土浇筑后的最高温度。具体布置见图4所示。(a)横隔板温度测点布置纵断面图(b)横隔板温度测点布置横断面图图4横隔板温度测点布置图1/4跨截面温度测点布置在每个墩的1/4跨截面布置11个温度测试点。这样的布置方式主要为了测出温度主梁沿截面高度的梯度变化，还可以测出温度沿主梁顶板、底板、腹板厚度的梯度变化。具体测点布置如图5所示。图51/4跨截面温度测点布置图（6）跨中截面（合龙段）温度测点布置在每个墩的跨中截面（合龙段）布置8个温度测试点，这样的布置方式主要是为了测出温度沿主梁截面高度的梯度变化以及沿主梁截面横向的梯度变化。具体测点布置如图6所示。图6跨中截面温度测点布置图2.2温度变化

7、对高程及应力影响规律观测试验及分析温度变化对大跨度预应力混凝土连续箱梁在悬臂浇筑中的变形影响比较大，而且随着悬臂长度的增长而增大，因此给合龙带来很大困难，合龙时间不得不选在深夜或凌晨。本桥为了真实的反映温度对大桥结构的影响，结合本桥所处的地理环境对温度变化对高程及应力的影响规律进行现场观测试验，并选择合适的合龙温度进行合龙。观测试验设在38墩上游最大悬臂状态，并在合龙前的一周内进行。为了使观测结果真实的反映温度的影响，停止该出的所有的施工作业，而且临时荷载的堆放要合乎要求。（1）高程的观测：高程的观测要派专门测量人员对高程变化进行观测，一定认真做好各项观测记录。连续观测24H,每小时观测一次，

8、观测点分别设在18#、19#、20#块上的观测桩。高程观测记录见表1。（2）温度的观测：在高程观测的同时对温度传感器及应力传感器进行相应的观测。温度的观测要记录天气情况、观测时间、空气温度、混凝土表面温度、箱内温度以及温度传感器记录的温度，连续观测24H,每小时观测一次。并且在合龙前一周对大气温度进行连续观测。温度观测记录见表2、3。（3）应力的观测：在高程观测的同时对温度传感器及应力传感器进行相应的观测。在38墩上游20#块上把温度传感器跟应力传感器绑在一起埋在同一个位置，这样温度跟应力的数值是对应的而且温度梯度也可以测出来，这样混凝土内部温度的变化以及温度梯度对应力地影响就可以测出。连续观

9、测，每小时观测一次。测点布置图见图7。应力观测记录见表4、5、6。图7应力及温度测点布置图合龙时间的选择：通过观测试验数据，选择温度变化较小的近似均匀温度场和挠度及应力变化较小的温度作为合龙温度，以此对应的时间段作为合龙时间。表120#块高程观测记录表观测时间温度观测占1(mm)观测占2(mm)观测占3(mm)空气温度箱表温度本次变形累计变形本次变形累计变形本次变形累计变形7：0026.322.60000008：00264241-3-3-5-5-6-69：002642710-3-1-6-1-710：0026.537.7-1-4-1-7-1-811：002653240-41-60-812：002

10、66305-3-7-5-11-4-1213:0026.829-3-10-5-16-3-1514：00270288-3-13-1-17-4-1915：002763332-114-133-1616:0028.228.5-1-12-1-141-1517：002782861-11-1-15-1-1618：002782631-101-141-1519：00278230-101-130-1520：002792291-90-132.-1321：002792252.-70-131-1222-002802241-64-92-1023：0028.022.30-60-90-100-002812231-51-82-8

11、1-002822210-52-61-72-002792181-42-42.-53-002762151-31-30-54-00269210-32-11-45-0026.020.60-3100-46-0025.020.4-1-4002-2从时间温度高程观测记录表可以看出如下规律：箱梁挠度随温度变化有一定滞后性。由表可以看出温度最大峰值出现在11：00左右，而挠度变形最大峰值出现在14：00左右。可见温度最大的时候并不是挠度变形最大的时候，说明随着温度的变化，箱梁挠度变形并不是马上发生的，箱梁挠度随温度变化有一定滞后性。温度升高悬臂箱梁产生向下挠曲变形，温度降低悬臂箱梁产生向上挠曲变形。由表可知，从

12、7：00开始温度开始升温，此时箱梁一直产生向下的挠度变形，从15：00开始温度开始降温，此时箱梁一直产生向上的挠度变形。由于混凝土导热性小，从顶板到底板热传导过程较缓。顶板温度最大值出现在11：00左右，从7：00到14：00处于升温过程，从15：00到6：00处于降温过程。而底板温度最大值出现21：00左右，从7：00到21：00处于升温过程，从21：00到6：00处于降温过程。而且由箱梁不同位置受到太阳辐射的不同，顶板直接受太阳辐射的影响，温度变化比较剧烈，升温较快，降温也较快，温差较大。腹板由于受到翼缘板的遮挡以及底板始终不受日照，所以温度变化较缓，升降温较缓，温差较小。表2温度观测记录

13、表时间空气温度(C)箱表温度(C)上游腹顶(C)顶板中间(C)下游腹顶(C)上游腹中(C)下游腹中(C)上游腹底(C)下游腹底(C)7:0026.322.62221.92321.625.921.221.68:0026.424.122.422.723.321.725.921.121.69:0026.427.123.225.123.821.725.82121.510:0026.537.726.632.82621.925.121.121.511:0026.532.42&235.628.222.525.321.52212:0026.630.52&934.628.722.325.521.622.213:

14、0026.8292&734.129.322.325.421.922.614:0027.02&82&432.82922.325.421.922.615:0027.633.32&131.729.222.825.222.222.816:002&22&527.831.329.522.425.322.423.117:0027.82&627.530.829.322.525.422.523.318:0027.826.327.229.628.722.525.222.723.219:0027.82325.82627.323.125.622.923.320:0027.922.925.425.627.123.125

15、.522.923.221:0027.922.525.225.12723.125.62323.622:002&022.425.225.227.12325.52323.523:002&022.325.325.32723.125.623.123.30:002&122.325.325.427.12325.623.123.21:002&222.125.225.326.922.925.42323.12:0027.921.825.125.226.822.725.222.9233:0027.621.524.92526.522.424.922.922.94:0026.92124.624.526.121.824.

16、322.622.75:0026.020.624.12425.321.323.822.422.56:0025.020.423.523.624.42123.32222.1表3空气温度一周观测表时间25日（C）26日（C）27日（C）28日（C）29日（C）30日（C）31日（C）7:0026.227.126.927.724.926.324.48:0026.327.726.927.725.626.423.29:0026.729.827.227.726.026.422.510:0027.331.827.327.626.426.522.511:002&030.027.427.526.526.522.71

17、2:002&829.927.727.626.526.622.813:0029.729.627.927.626.726.823.014:0030.629.52&227.526.927.023.315:0031.229.52&327.627.027.623.516:0031.429.62&327.627.028.223.517:0031.429.42&427.727.027.823.51&0031.229.32&427.827.127.823.819:0030.729.22&427.826.927.823.820:0030.129.12&427.726.927.923.921:0029.72&92

18、&327.227.027.923.922:0029.22&72&227.427.028.023.923:002&92&52&227.527.028.024.00:002&62&32&227.627.028.123.81:002&42&02&127.226.828.223.82:002&12&02&026.327.027.923.73:0027.827.627.926.426.927.623.74:0027.427.327.825.626.526.923.65:0027.127.027.725.126.326.023.46:0026.926.827.624.826.325.023.26:3026

19、.826.927.724.926.424.623.2由上表可以看出如下规律：温度沿截面横向分布存在一定温差，顶板最大温差7.4C,腹板最大温差4.3C,底板最大温差0.7C。可以看出顶板沿截面横向温差比较大，腹板次之，底板最小。顶板有一定的横向温差分布，最大温差7.4C，出现在11：00,顶板温度变化与箱外气温变化趋势基本一致，而与箱内气温变化有较大差别，说明太阳辐射对顶板横向温度变化影响很大。左右腹中横向温度变化较小，最大温差4.3C，出现在12：00，且其变化趋势与箱内气温变化基本一致，说明太阳辐射对箱梁腹板内部横向温度变化影响较小。底板横向温度变化最小，最大温差0.7C，出现在16：00

20、，基本上可以忽略不计，且其变化趋势与箱内气温变化基本一致，说明太阳辐射对箱梁底板横向温度变化影响最小基本上可以忽略不计。（2）太阳辐射对温度沿截面竖向分布影响比较大。上游腹顶跟腹底最大温差7.3C,出现在12：00；上游腹顶跟腹底最大温差6.7C，出现在13：00。可以看出箱梁温度沿截面竖向分布是不可以忽略的。公路上的混凝土桥梁,由于设置人行道,一般是桥面板直接受日照。而腹板因悬臂的翼缘板的遮荫，两侧温差变化不大，因此对梁式结构只考虑沿截面高度方向的日照温差的影响（3）从上下游腹板竖向温度梯度曲线可以看出其变化趋势基本一致，说明方位角的不同对腹板受外界辐射的差别不大。对于公路桥梁，由于翼缘板较

21、长，左右腹板处于遮蔽状态，因此公路桥梁的腹板温度梯度可以忽略方位角的差别，而取同一分布形式。（4）从空气温度一周观测表可以看出晚上23：00后到次日凌晨7：00，这段时间温度变化较小，可以认为是近似的均匀温度场，而且挠度和应力也变化较小。可以选择这个时间段进行合龙。为了消除温度对立模标高和挠度变形及应力监测的影响，可以在早晨6：00到8：00这个时间段内进行标高的放样及挠度和应力的监测。表4上游腹板应力观测记录表时间上游腹顶应力上游腹中应力上游腹底应力温度（C）本次变化（MPa）累计变化（MPa）温度（C）本次变化（MPa）累计变化（MPa）温度（C）本次变化（MPa）累计变化（MPa）7:0

22、0220.000.0021.60.000.0021.20.000.008:0022.4-0.030.0321.7-0.10-0.1021.1-0.05-0.059:0023.2-0.080.1021.7-0.03-0.13210.170.1210:0026.60.13-0.0321.9-0.13-0.2621.1-0.070.0511:0028.2-0.260.2322.5-0.03-0.2921.50.270.3212:0028.9-0.280.5122.3-0.13-0.4221.60.050.3713:0028.70.200.3122.30.18-0.2421.90.020.4014:0

23、028.4-0.100.4122.30.00-0.2421.90.020.4215:0028.10.130.2822.80.03-0.2122.20.000.4216:0027.8-0.410.6922.4-0.03-0.2422.40.270.6917:0027.50.000.6922.50.00-0.2422.50.421.111&0027.2-0.230.9222.5-0.05-0.2922.70.251.3619:0025.8-0.030.9423.1-0.03-0.3122.90.051.4020:0025.40.000.9423.1-0.03-0.3422.90.001.4021:

24、0025.20.000.9423.10.00-0.34230.001.40表5下游腹板应力观测记录表时间下游腹顶应力下游腹中应力下游腹底应力温度（C）本次变化（MPa）累计变化（MPa）温度（C）本次变化（MPa）累计变化（MPa）温度（C）本次变化（MPa）累计变化（MPa）7:00230.000.0025.90.000.0021.60.000.008:0023.30.050.0525.9-0.08-0.0821.6-0.03-0.039:0023.80.200.2525.80.03-0.0521.50.740.7110:00260.350.6125.1-0.18-0.2321.5-0.13

25、0.5811:0028.20.731.3425.3-0.13-0.36220.330.9112:0028.70.281.6125.50.00-0.3622.20.030.9413:0029.30.201.8125.4-0.08-0.4422.60.000.9414:00290.051.8625.4-0.05-0.4922.60.000.9415:0029.2-0.101.7625.2-0.03-0.5222.8-0.050.8916:0029.50.452.2125.30.08-0.4423.10.531.4217:0029.30.182.3925.40.05-0.3923.30.131.55

26、1&0028.7-0.032.3725.20.08-0.3123.2-0.101.4419:0027.3-0.102.2625.60.16-0.1623.30.281.7220:0027.1-0.032.2425.50.03-0.1323.20.001.7221:0027-0.052.1925.60.03-0.1023.60.031.75表6顶板跟底板应力观测记录表时间顶板中间应力底板纵向应力底板横向应力温度（C）本次变化（MPa）累计变化（MPa）温度（C）本次变化（MPa）累计变化（MPa）温度（C）本次变化（MPa）累计变化（MPa）7:0021.90.000.0021.60.000.0

27、021.60.000.008:0022.7-0.42-0.4221.6-0.05-0.0521.6-0.03-0.039:0025.1-0.53-0.9521.50.590.5421.50.150.1310:0032.8-1.59-2.5421.50.150.7021.5-0.100.0311:0035.6-2.39-4.93220.150.85220.200.2312:0034.62.58-2.3522.20.050.9022.20.030.2513:0034.1-0.23-2.5722.60.050.9622.6-0.030.2314:0032.80.57-2.0122.60.051.01

28、22.6-0.030.2015:0031.7-0.83-2.8422.8-0.050.9622.8-0.030.1816:0031.31.25-1.5923.10.311.2623.10.230.4117:0030.8-1.06-2.6523.30.261.5223.30.330.7418:0029.60.11-2.5423.20.131.6523.2-0.230.5119:00261.55-0.9823.30.001.6523.30.050.5620:0025.60.15-0.8323.2-0.151.5023.2-0.030.5321:0025.10.15-0.6823.60.031.52

29、23.60.030.56从上表可以看出以下规律：1）截面应力随着外界温度的升高应力增大，随着外界温度的降低应力会减小。2）腹板中间跟顶板中间出现拉应力，其他位置都是压应力。上游腹顶出现最大压应力为2.39MPa,出现在15：00。顶板中间出现最大拉应力为-4.93MPa,出现在11：00。（3）箱梁截面顶板应力随温度的变化较大，腹板和底板则相对缓慢。（4）温度应力的峰值与温度的峰值并不出现在同一时刻,也存在一定的滞后现象。温度效应的影响箱梁结构的温度场是指受箱梁所处的地理环境的影响,箱梁结构构件表面和内部的温度,因对流、辐射、传导等方式所形成的瞬时不均匀分布状态。对于混凝土箱梁,由于混凝土的导

30、热系数小,在外部因素和内部因素的共同作用下,其温度场变化存在明显的滞后现象,导致箱梁各部分所得到或者扩散的热量有较大的差异,形成非线性分布的温度状态。3.1温度效应对结构的影响温度对结构的影响可以归纳为线性变化影响和非线性变化影响两种。（1）线性变化影响,在这种温差变化情况下,梁式结构将产生挠曲变形,而且两在变形后仍然服从平截面假定。因此,在静定梁式结构中,线性变化的温度梯度只引起结构的位移而不产生温度次内力,而在超静定梁式结构中,它不但引起结构的位移,而且因多余约束存在,从而产生结构内温度次内力。（2）非线性变化影响,在非线性温度梯度模式下,即使是静定梁式结构,梁在挠曲变形时,因梁要服从平截

31、面假定,导致截面上的纵向纤维因温差的伸缩将受到约束,从而产生纵向约束应力,这部分在截面上自相平衡的约束应力称为温度自应力。而在超静定梁式结构中。除了温度自应力外,还应考虑多余约束阻止结构挠曲产生的温度次内力引起的温度次应力,总的温度应力为温度自应力和温度次应力之和。国内外学者在研究了众多桥梁破坏事故后认为,桥梁破坏的主要原因是太阳辐射,大气温度及其它外界因素日照过程在桥梁结构内产生的非线性温差引起的温度应力。理论分析和试验结果证明,在大跨度预应力混凝土箱形梁桥中,特别是超静定结构体系,温度应力可以达到甚至超过活载应力,成为预应力混凝土桥梁产生裂缝的主要原因,对结构的受力和变形产生很大的影响。由

32、于温度应力造成预应力混凝土箱梁严重损坏的列子时有发生,温度应力对预应力混凝土的桥梁的危害越来越来越受到重视和研究。相比而言,日照温差的作用效应更为明显,更为复杂,对结构的破坏更有破坏力,因此本文主要以日照温差效应为研究对象。3.2温度效应对施工的影响由于跨度大、悬臂长,白天在太阳的照射和温度变化的作用下,箱梁的顶底面和箱内外形成温差,顶面温度高,混凝土膨胀,而相对而言,底面温度低,混凝土收缩,从而使悬臂箱梁有向下的第 页共12页挠曲变形趋势；到夜间，箱梁顶底面散热较快，温度下降迅速，而箱内由于空气不流通，散热慢，温度相对较高，从而形成箱内外的温差，箱内温度高混凝土膨胀，而箱外温度相对较低混凝土收缩，使得悬臂梁有向上的挠曲变形的趋势。而且这种变形随着日照温度变化量的增大而增大，也随着悬臂长度的增长而增大。由于温度变化对悬臂箱梁标高的影响，给施工中线形标高的控制带来很大的影响。主要包括下列三个方面：（1）影响主梁标高的测量放样。例如，若在上午8点按监控标高实施了立模标高的测量放样，而后进行绑扎钢筋等工序，在第