斜拉桥索塔温度场分析及索塔裂缝温变特性研究

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1、武汉理工大学硕士学位论文1．1研究背景第1章绪论近年来，我国交通基础建设得到迅猛发展，各地兴建了大量的混凝土桥梁。在桥梁建造和使用过程中，有关因出现裂缝而影响工程质量甚至桥梁垮塌的报道屡见不鲜。为了进一步加强对混凝土桥梁裂缝的认识，弄清箱梁、索塔、空心高墩等筒状结构裂缝出现及扩展的原因，本文对混凝土桥梁裂缝进行研究【11。自然环境中的混凝土结构长期受自然界气温的变化和日辐射等剧烈作用，加之混凝土结构物的热传导性能差，其周围环境气温以及日辐射作用将使结构表面温度迅速上升或降低，但结构的内部温度仍处于原来状态或变化缓慢，这样就在混凝

2、土结构中形成较大的温度梯度，使混凝土结构的各部分处于不同温度状态【2】【3J。通常在日照作用下，钢筋混凝土箱形结构的向阳壁板的表面温度因太阳光辐射而急剧升高，而背阳壁板温度随气温的变化而缓慢地变化，待向阳壁板表面温度达到最高温度时，由于钢筋混凝土热传导性能很差，使箱形结构内表面温度比向阳壁板外表面温度低得多，而与结构内气温相接近。由此产生的温度变形当被结构的内外约束阻碍时就会在结构中产生相当大的温差应力。在桥梁结构中特别是在箱形结构中，由于太阳辐射温差效应所产生的应力在某种情况下与恒载、活载产生的应力属同一个数量级，甚至使混凝土

3、结构物发生严重的开裂现象14儿51，导致桥梁结构损坏并影响交通的正常运营。混凝土具有热胀冷缩性质，当外部环境或结构内部温度发生变化，混凝土将发生变形，若变形遭到约束，则在结构内将产生应力，当应力超过混凝土抗拉强度时即产生温度裂缝。在某些大跨径桥梁中，温度应力可以达到甚至超出活载应力。温度裂缝区别其它裂缝最主要的特征是将随温度变化而扩张或合拢。引起温度变化主要因素有【6胴：一、年温差，一年中四季温度不断变化，但变化相对缓慢，对桥梁结构的影响主要是导致桥梁的纵向位移，一般可通过桥面伸缩缝、支座位移或设置柔性墩等构造措施相协调，只有结

4、构的位移受到限制时才会引起温度裂缝，例如拱桥、刚架桥等。我国年温差～般以一月和七月月平均温度作为变化幅度。考虑到混凝土的蠕变特性，年温差内力计算按混凝土弹武汉理工大学硕士学位论文性模量考虑折减。二、日照，桥面板、主梁或索塔侧面受太阳曝晒后，温度明显高于其它部位，温度梯度呈非线形分布。由于受到自身约束作用，导致局部拉应力较大，出现裂缝。日照和下述骤然降温是导致结构温度裂缝的最常见原因。三、骤然降温，突降大雨、冷空气侵袭等可导致结构外表面温度突然下降，但因内部温度变化相对较慢而产生温度梯度。日照和骤然降温内力计算时可采用设计规范或参

5、考实桥资料进行，国内外设计标准中有关温度荷载都进行了规定M21。因此，对混凝土桥梁结构特别是箱梁、箱形高墩和桥塔，由于太阳辐射产生的温度效应是关系桥梁结构经济、安全的一个重要问题，已成为桥梁工程师在桥梁设计与维护中十分关注的问题之一【13】。1．2混凝土结构裂缝温度效应研究概况自20世纪50年代起，国内外学者从对桥墩裂缝的现场调查分析中认识到了温度应力对混凝土结构的重要性。随着混凝土空心高桥墩和大跨度预应力混凝土箱形桥梁的迅速发展，温度应力对这些结构的影响和危害越发引起工程界的重视和研究114J115J。自60年代以来，国内外由

6、于温度效应而导致混凝土结构严重裂损事故并不少见。例如，德国几座厚腹板箱形桥梁的损坏，其中两座桥梁几乎坍塌；在对德国Jagst桥厚腹板箱梁的检查中发现，通车第五年发生严重裂缝，经估算温度拉应力高达2．6MPa。美国对Champigny箱形桥梁的支座反力变化进行观测，由于日照温差效应，在一日内其变化值高达26％，相当于这一反力变化值的箱梁顶、底板表面的等效温差为10℃，仅由这一温差引起的最大下翼缘应力就可达到3．92MPa。新西兰一座新市场高架桥的预应力混凝土箱梁，因日照产生的大温差导致该桥发生严重裂损，不得不耗巨资进行修复。在国内

7、，芜湖过江电缆塔、空心高桥墩、通惠河连续梁，九江长江大桥引桥40m箱梁，漓江二桥箱梁等也都发生了裂缝。试验研究表明，箱梁某些部位的温度应力比荷载应力还大，这已成为预应力混凝土箱梁发生裂缝的主要原因。同样，如果裂缝一旦出现，温差应力在一定程度上又加快了裂缝的扩展。1．2．1国外研究概况自20世纪60年代以来，国外对混凝土结构的温差应力做了许多研究工作，2武汉理工大学硕士学位论文进行了一系列现场试验观测和理论研究。在国外工程计算中，英国的D．h．Stephenson以表面温度波幅为依据，用指数函数来分析混凝土结构沿壁板厚度方向的温度

8、分布1161。新西兰的M．J．N．Priestley在对澳克兰新市场高架桥的模型试验研究中，也求得了非线性分布规律。德国的FritzLeonhardt和F．Kehlbeek等学者在他们的论著中，也都确定了非线性的温度分布规律。70年代初，德国的达姆斯塔特大学圬工