桥梁温度效应控制技术概述

刘植钏

重庆交通大学土木工程学院  重庆  400074

摘要：为了提高混凝土箱体结构的耐久性和使用寿命，避免在太阳辐射、地理位置和气象改变等因素的不断周期性作用下，由于过大的温度应力导致的桥梁裂损事故的发生。论述了在施工，运营桥梁的温度裂缝控制措施。

关键词：温度效应；温度裂缝；温度控制措施；辐射降温；相变材料

引言

   进入21世纪以来，我国桥梁建设飞速发展，先后建设了一大批跨径大，难度高的特大桥，由此实现了我国从公路桥梁打过迈向公路桥梁强国的坚实一步。随着我国公路总里程的不断扩大，综合立体交通网络日益完善，公路建设的重心已经由东部向西部地区转移。由于西部地区具有优异的地理条件和稠密的人口密度，在近几年中西部桥梁建设出了许多结构合理、造型新颖的大跨度桥梁。混凝土箱梁桥更以其施工快捷方便、抗弯抗扭刚度大、经济效益高、行车平缓等多方面优势在我国公路桥梁建设中得到了广泛应用，并且成为一般首选的桥梁结构形式。但是西部地区的山区和高原地区的地理特点为高山峡谷，海拔较高。且具有太阳辐射强烈，日照时间长，地面反射强的气候特点。但是往往这些地区会大量的建造桥梁，视为桥梁建造的密集地区，在这类地区服役的大跨度桥梁将面临着较为严重的日照荷载，混凝土箱体结构表面出现温度裂缝的风险远高于我国其它地区。其中在已调查的混凝土工程中有关温度等变形而产生的裂缝约占80%，已经成为导致混凝土桥梁结构开裂的主要原因。

因此需要采取有效的措施来解决混凝土箱体结构内外温差的桥梁温度效应中非线性的温度梯度。减少受非线性温差效应影响产生的温度裂缝，降低混凝土结构的温度应力。因此总结了工程界、学术界提出的三种混凝土箱梁温度应力的控制手段。

一 改良拉应力区域预应力钢筋的布置

在自然环境中混凝土箱梁表面日间会受到太阳光照，且时刻会于周围大气产生热交换。并且箱梁自身也会进行热传导。热交换与热传递作为一种动态过程，导致桥梁结构的温度场为瞬时变化，热交换的复杂性决定了研究桥梁结构温度场的复杂性。但是混凝土作为常见的土木工程材料，由于自身材料性质的限制，其导热性能较差。随着混凝土箱梁在施工和运营状态下长时间的暴露在自然环境中，太阳辐射、大气温度、气压等外界因素，会导致混凝土箱梁产生形变和应力直接影响到混凝土桥梁的安全性、适用性与耐久性

在充分了解箱梁结构温度应力场分布后，通过改良拉应力区域预应力钢筋的布置，降低温度应力不均匀分布的现象，从而减少应力集中情况的发生。

二  相变材料法

众所周知，相变混凝土具有一定的自控温能力，因此在制备相变控温装置时，在该装置内填充相应的相变材料，提高了储热能力以及相变材料的利用率，同时避免影响混凝土的力学性能。将该装置安装至箱梁的受阳面处可以减小内部的温度应力。但是相变材料作为桥梁的一种桥梁外挂结构自控温装置不仅需要容纳、保护固—液相变材料，减少紫外线长时间照射所带来的装置中材料的老化问题，还需要保证材料拥有良好的热传递效果，让材料达到吸收热量的效果。因此相变材料的选择条件就尤为苛刻，整理了以下的基本选材要求：

(1)稳定性

容器材料与相变材料直接需要有稳定的化学惰性，无腐蚀、溶透现象。如果选用的化学材料不稳定，极易产生不稳定的化学反应，容器将会快速劣化，甚至会导致相变材料的渗出，减少装置的使用寿命。

(2)抗老化性

紫外线老化是指材料受到紫外线辐射，材料内部分子键破坏而产生表面变色、龟裂以及物理性能下降等影响正常使用的现象。因为装置安装在箱梁结构上时，会随着桥梁的运营阶段也会一直服役，并且常年会受太阳光照射，故需考虑材料的抗紫外老化性。

(3)柔韧性

因为相变材料在不停地相转换过程中体积会不断的发生变化，因此，选用放置相变材料的容器也需要满足这一特性要求，最好选用柔韧性的材料用。

(4)轻质性

因为相变控温装置是外挂于箱梁外部，相当于对桥梁结构施加一个外部荷载，考虑到为减轻装置自重对桥梁的不利影响，易选用密度较小的材料。

三 辐射制冷方法

混凝土内部的温度在外部因素变化时会产生一定的时间滞留，同时需要一定的时间才能产生变化，这种现象被称为混凝土构件温度场的时滞效应。正是因为这种时滞效应导致了混凝土的内外温度分布不均，使桥梁结构产生内部的温度应力，从而导致混凝土构件的变形甚至开裂。因此从外部减少热量的吸收，为桥用辐射降温材料装置提供理论支撑。

由于地表上的物体自身温度高于外层宇宙空间的温度，所以可以通过发射红外线的方式源源不断的穿过“大气窗口”向宇宙辐射能量而实现自身的降温。即需要设计专门的选择性辐射表面，通过在8~14μm波段（大气窗口波段）辐射红外线并高效反射这些波长以外的波段，可以使得物体表面的温度低于环境温度，并且由于自控温的特性良好的践行双碳政策，无污染零能耗。

建筑用途的保温隔热涂料就是一种将保温、隔热、装饰等多方面用途集于一体的安全、节能、环保、经济的新型建筑涂料。在建筑物表面涂覆该种材料可以有效的调节内外温度，减少内外温差。虽隔热保温涂料在房屋建筑上已有发展应用，却无人问津同样遭受户外恶劣环境的桥梁建筑，所以在发展隔热降温涂料势在必行。

四 结语

目前，国内学术界对桥梁工程领域相变控温技术的认识还在起步阶段，已经开始尝试性的做了一些相关研究，调温节能效果较好。但对于辐射降温技术，目前此技术还没有运用于桥梁的实际工程中的文献案例。因此桥梁温度效应的控温研究还需要深入研究。

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