混凝土箱梁温度梯度的试验分析外文翻译资料

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混凝土箱梁温度梯度的试验分析

原作者：Sallal R. Abid, Nildem Taysi, Mustafa Ouml;zakccedil;a

亮点

1.建造并用仪器装备了一个照原物尺寸的实验用箱梁节段。

2.分析了在环境荷载下混凝土桥的温度梯度。

3.被记录的最大竖直和侧向梯度是19.7°C和19.0°C。

4.提出了公式来预测混凝土梁的最高温度梯度。

5.提出了简单公式来预测混凝土桥梁的平均温度。

摘要

本文介绍了实验箱梁节段的结构和仪器仪表，旨在分析混凝土桥梁在空气温度波动下的温度分布和太阳辐射热负荷。除了62个热电偶外，仪器还包括空气温度，太阳辐射和风速传感器，而数据采集持续了一年以上。最高垂直温度梯度记录在6月，而最大横向温度梯度记录在十二月。提出了经验公式来预测最大垂直和横向温度梯度，以及桥梁的每日最大和最小平均温度。

1.引言

空气温度和太阳辐射的日变化和季节变化通过两种方式影响桥梁上部结构。第一个是桥梁平均温度随时间的变化，对于简单的跨度情况，会导致一天内或一个季节到另一个季节的纵向膨胀和收缩。第二个是温度沿着上层结构的深度和宽度的分布，因此不同纤维的温度沿着腹板的深度或板坯（或凸缘）的宽度之间的差异，其通常是非线性的变异。即使在简单支撑的跨度中，非线性温度变化也会导致非线性温度梯度并产生内力。

Imbsen等人回顾了许多现场研究，将桥梁检测中的肉眼可见的损伤归因于空气温度和太阳辐射的变化。Zichner通过对几座桥梁的检查，报告了沿着腹板和底板的肉眼可见的裂缝，裂缝宽度范围从不到0.2mm至0.4mm。Elbadry和Ghali表明，对于在顶面和底面之间经受约20℃非线性温差的连续箱梁桥，预测在底面附近约有2.8MPa的拉伸热应力，而底部由于承受荷载导致的纤维应力约为1.5MPa。此外，他们报告说，由于板坯和腹板上的温度变化，预测了大于4MPa的横向拉伸热应力。Priestley认为，空气温度和太阳辐射可导致横向热拉伸应力高达3.5 MPa。其他以前的研究人员报道了可能由空气温度和太阳辐射的影响产生的相当大的应力和变形。

为了控制由空气温度和太阳辐射的持续上升和下降引起的应力和变形，许多研究人员试图提出沿上层建筑深度的垂直温度梯度模型。1976年Priestley提出的五阶模型是最广泛被认可的梯度模型之一。该模型考虑了沿着上部结构的顶部1.2m的温度的主要非线性变化，并且沿着底部的0.2m具有小的线性变化。Priestley的模型仍然被新西兰桥的设计规范使用。澳大利亚桥梁设计规范也使用Priestley的五阶模型，但是顶面的最大温度梯度要低得多。1978年，英国桥梁设计标准BS 5400-2引入了正温度梯度，由两个主要部分组成。第一个是沿着混凝土上部结构顶部的双线性梯度(le;0.4 m)，而第二个是沿上层建筑底部的线性的坡度。1985年，Imbsen等人提出了一个多线性温度梯度，并于1989年被AASHTO采纳。十年后，多线性温度梯度模型简化为双线性，目前仍被AASHTO现行规定使用。在先前讨论的多线性温度梯度模型中，温度梯度值（T1，T2，T3，如果有T4）在三点或更多点被指定。这些点是：顶面，梯度模型的后续行之间的连接点，底面等。根据该地区气候记录的统计极值分析，确定每个区域的温度梯度。Potgieter，Gamble，Roberts-Wollman，Lee，Kalkan等人引入了桥梁上部结构顶面（T1）的最大正温度梯度的简化表达式，利用该简化表达式估算了顶部表面和核心温度之间的最大差异。在这项研究中，建立了一个实验性全尺寸钢筋混凝土箱梁节段，并配有不同的传感器和相当数量的热电偶。测量和记录一年以上的空气温度，太阳辐射和风速以及在大梁的板和腹板的不同位置的混凝土温度。本文的目的是分析垂直和横向温度梯度，以及由空气温度和太阳辐射的连续波动引起的桥梁平均温度的变化。考虑整个测试期间以及从不同季节选择的特定日期，介绍和讨论了实验结果。

2.实验工作

构建了全尺寸钢筋混凝土箱梁，以评估暴露于环境热负荷对混凝土桥梁温度和温度梯度分布的影响。在施工前，在加济安泰普大学的校园内选择了一个合适的场地。因为真正的桥梁主要是在没有周围建筑物的阴影的开放区域建造，并且为了更好地模拟桥梁上的实际热负荷，所以选择了一个离最近的建筑物的距离都大于其阴影长度的位置，因此周边建筑物的阴影不会对建造的箱梁造成影响。为了监测箱梁的温度分布，热电偶安装在网板和板坯的内部和表面的不同位置，如图1所示。

2.1. 实验混凝土箱梁段

实验箱梁段顶板宽7.25米，总深2.4米，长2.1米。箱梁的详细尺寸如图1所示。桥梁段由钢筋混凝土框架支撑，高度为2米。该框架用于从地面抬起箱梁以模拟地面反射辐射的实际载荷。此外，该支撑框架允许空气流向底板的下表面，因此模拟该表面上的实际对流负载。与实际情况类似，支撑框架与箱梁热隔离。在箱梁的加固之前，在框架的顶部使用两层胶合板。

混凝土混合料的材料成分为普通硅酸盐水泥，水，粉砂和碎石，混合比例分别为380，171，902和988。另外，在混凝土混合物中使用1％的水泥重量的超增塑剂。在箱梁和支撑框架中使用的混凝土的立方体抗压强度为35MPa。钢筋混凝土箱梁段设计仅承受自重。对于板坯的顶层和底层，在两个方向上使用150mm c / c的12mm直径的棒。对于墙壁（腹板），使用两层直径为150 mm的16 mm直径的钢筋作为垂直钢筋，而横向钢筋由12 mm直径的钢筋组成，间隔150 mm。额外的12毫米直径的杆沿着板壁竖井分布。为了满足沿跨度方向的隔热和防止空气和光线进入箱体腔体，采用外部防水抹灰保温板密封箱体横截面。图2a示出了在模板施工期间的箱梁段，图2b显示箱梁与隔离板密封。

2.2.实验箱梁段的测试

由Campbell Scientific提供的三个传感器的气象台连接到实验箱梁段，以监测环境热负荷。108温度探头用于监测空气的阴凉温度，采用三筒NRG＃40风速计监测风速，采用CS3远地点硅太阳辐射计监测全球太阳辐射强度。T型热电偶安装在腹板和板坯以及外表面和内表面上，以测量混凝土温度。热电偶根据其位置分四组分配。分别为18,18,17和9个热电偶组成的南网（SW），北网（NW），顶板（TS）和底板（BS）。所有热电偶的位置都清楚显示
在图1中。使用PVC管道将热电偶线的出口排列在箱梁的混凝土上。对于四组热电偶安装了四个管道，如图1所示。实验数据记录从2013年5月25日至2014年7月3日，从箱梁的建成日开始，以30分钟的时间间隔记录下来。

3.空气温度，风速和太阳辐射

本节介绍了空气温度探头，风速计和太阳辐射计的环境记录。控制箱梁热传递的边界热负荷主要受这些测量数据的影响，因此需要了解环境结果的表现以了解箱梁的热行为。从2013年5月25日至2014年7月3日的整个期间，图3显示每日最高和最低气温以及每日最高和最低气温之间的差异。这一时期的最高空气温度为38.4℃，记录在2014年7月3日，而最低气温在2013年12月12日，为8.7℃。另一方面，最高日温差在2013年10月11日，为23.4℃。

图4a显示了整个记录周期的日平均风速。在图中显而易见的是每日平均风速度范围从小于1.0米/秒到约4.0米/秒。另一方面，测试期间记录的最大风速约为7.0m / s，而每日最低风速为0m / s是频繁的。测试期间的每日最大小时全球太阳辐射如图4b所示。每日最大小时全球太阳辐射的最大记录值记录在2013年6月2日，为1200瓦/平方米，然而，当天记录到明显的太阳辐射波动。另一方面，在阴云密布的日子里，每日最大太阳辐射量小于100W / m ²。

4.垂直和横向温度梯度

4.1.每日最高温度梯度

本文中的“温度梯度”一词是指特定部分的具体温差。图5显示了从2013年7月4日至2014年7月3日的整个一年的最大日平均垂直和横向温度梯度。通过从所有热电偶的温度沿指定的部分减去最小温度来计算温度梯度。计算温度梯度的部分是垂直温度梯度从顶部到底部表面的腹板的中心线，以及用于横向温度梯度的顶部和底部板坯的中心线。沿着这些部分的每日最大温度梯度记录在顶部表面垂直梯度和板边缘的横向梯度。根据记录的每日最大梯度和完整的一年的环境热记录，可以获得简化的公式来预测垂直和横向温度梯度。

图5a显示，夏季一般记录在南网的日最高垂直温度梯度在夏季较高，并在冬季降至达到最小值。由于夏季的太阳运动，太阳辐射从高空射击水平面，而垂直面的太阳辐射强度要低得多。因此，太阳辐射的效果在顶板上比在纤维网的外表面上要高得多。结果是，在长时间加热之后，与箱梁的其余部分相比，白天的顶部表面的温度显著增加。该温度从顶板的顶表面到后续层缓慢进行，然后到每个网的顶部，同时，幅材中的深层的温度保持较低，这导致了很高的垂直温度梯度。在炎热的夏季，最高垂直梯度记录下，太阳辐射太高，日最高和最低气温之间的差异较大。

图5b和c显示了秋季和冬季沿着板坯的横向温度梯度比夏季高得多。这是因为在寒冷季节阳光由于太阳高度角较低而起伏，这导致水平构件的一个边缘的受热，而相反的边缘则被遮蔽。如图5b和c的比较所示，很明显的是，顶板比底板承受更高的横向温度梯度。这可以归因于两个板坯的不同构造和不同位置，这导致太阳辐射对顶板的边缘的影响比底板的高。需要注意的是，在太阳辐射和日气温差较小的日子里，横向梯度也变低，如图5b和c所示。

4.2.特定日期的垂直和横向温度梯度

选择不同季节的三天，以纵向和横向温度梯度的日变化来显示，这三天是12月22日 - 12月22日 - 3月和6月14日。图6a显示了12月22日的四个温度梯度的变化，其中横向梯度（TS和BS）远高于垂直梯度（SW和NW）。这是由于冬季太阳辐射强度高于水平面。沿TS，BS，SW和NW记录的最大梯度分别为19.0℃，15.1℃，11.1℃和7.7℃。

3月份，水平面上的太阳辐射通常高于垂直面，但是它们之间的差距不如夏天那么明显。图6b示出了3月22日的所有梯度表现出与时间相似的变化行为，并且最大梯度彼此接近。最大垂直梯度取决于水平和垂直表面上的太阳辐射分布，且略高于最大横向梯度。沿TS, BS，SW和NW记录的最大梯度分别为15.2℃，12.4℃，16.6℃和15.4℃。

图6c显示，6月14日的梯度变化与12月22日的变化相反。6月份，垂直温度梯度远高于横向温度梯度，这归因于今年这个时候水平面太阳辐射高。沿TS，BS，SW和NW记录的最大梯度分别为8.4°C，5.4°C，19.7°C和17.4°C。

5. 箱梁的平均温度

需要桥梁的最大和最小平均温度来计算纵向热运动。桥梁的平均温度是上层建筑不同部分个体温度的平均值。在当前的实验工作中，通过计算每个热电偶的周围区域的温度乘积之和，在每个时间步长估计箱梁的平均温度。然后将结果的总和除以箱形梁的总面积。

其中T_i是热电偶i的温度，A_i是围绕相邻热电偶的水平和垂直测量的中心到中心的热电偶的区域。

图7a显示了2013年7月4日至2014年7月3日期间箱梁的每日最大平均气温，图7b显示了同一时期的每日最低平均气温。通过与图 3a和b的每日最高和每日最低气温对比，很明显，箱梁的平均温度与空气温度高度相关。在完整的试验期间，日最高平均温度范围为4.9℃〜41.3℃，日平均最低温度范围为2.0℃〜31.4℃。图8比较了三个特定日期（12月22日，3月22日和6月14日）的平均气温及其相应的空气温度。该图显示，空气温度对箱梁的平均温度有明显的影响。

6. 实验记录的相关性

在本节中，使用热电偶和气象站的实验测量来研究环境热负荷与垂直和横向温度梯度之间的关系。可以使用从当前研究的实验测量获得的公式来评估混凝土箱梁顶表面的最高温度梯度的任何位置和任何天气条件。类似地，可以使用获得的横向梯度公式来评估顶板和底板边缘处的最大横向温度梯度。

为了评估预测公式，除了测定系数（R²）外，还使用了两个误差测量值。使

用的误差测量是均方根误差（RMSE）和平均绝对误差（AAE）：

其中X_pred是预测值，X_exp是同一时间步长的对应实验记录，n是记录数。

本节使用了除2013年7月4日至2014年7月3日期间的空气温度，太阳辐射和风速记录外的具体温度记录。在一些多雨的冬天，其中一个多路复用器偶然受到水分的影响，因此一些热电偶的读数会丢失，因此从计算中省略了相应的受影响的梯度。此外，有时候由于云层的波动，太阳辐射的波动较大。这些日子的数据在计算中没有考虑。

6.1. 垂直温度梯度

在本节中，最高垂直温度梯度与日照温度差（DT）以°C为单位，日总太阳辐射（I）以MJ / m ²为单位，日平均风速（w）以m / s为单位并将其与文献中的公式进行比较。

6.1.1. 与热负荷的相关性

在箱梁顶面（Ver）的日最大垂直梯度与空气温度的每日差异之间进行直接相关，其等于：

此外，还将Ver与日常总太阳辐射（I）和日平均风速（w）进行了推导和关联。相关性表明，Ver与Ver和I之间的二次关系的R ²为0.9的太阳辐射高度相关。另一方面，Ver和DT之间的二次关系的R ²低得多，为0.42。线性关系给出较低的

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