桥梁混凝土工程的热传导试验研究

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[摘要] 从桥梁混凝土结构温度效应的角度分析，混凝土工程的温度分布、温度荷载、温差应力等，都是施工前必须考虑的内容，否则无法进行正常的施工，譬如箱型桥梁的温度应力，如果顶面和下缘的温差超过33℃，就会产生温差应力，而导致桥梁混凝土出现裂损。为此，我们需要在施工之前，通过热传导试验的方式，确定具体温度分布、温度荷载、温差应力等数据信息。本文将在确定桥梁混凝土工程热传导试验对象的基础上，综合热传导的基本原理，通过试验确定混凝土的边值条件，为桥梁混凝土施工提供科学的数据。

[关键字]桥梁工程 混凝土试验 热传导

[中图分类号]U446 [文献码]B[文章编号] 1000-405X（2013）-1-255-2

1桥梁混凝土工程热传导的试验对象

桥梁的混凝土结构，温度应力对其稳定性的影响最为明显，其中温度分布、温度荷载等是构成温度应力的主要因素，也是工程热传导的试验对象：

1.1温度分布

在桥梁混凝土结构当中，温度分布指的是混凝土结构内部和表面在某个时间点的温度状态。由于混凝土的导热系数比较小，以致其外表温度出现急剧变化之后，内部温度的变化迟缓，呈非线性分布的状态。通常情况下，影响混凝土温度分布的因素有太阳辐射、温度下降等客观因素。譬如箱型桥梁，在某个时间点的横向温度曲线，可以看出顶板表面的温度比较均匀，越靠近混凝土内部的骨料，其温度距离表面的温度就越大。

1.2温度荷载

温度荷载具有时间性和空间性的特征，而且与桥梁混凝土结构的个息相关。桥梁构件的表面和内部，其温度荷载的特点包括日照温度、骤然降温、年温变化，其中日照温度的主要影响因素是太阳辐射，具有短时急变的时间性特征，通常只作用于局部范围，而且呈不均匀的分布状态，对局部结构的应力影响大；骤然降温则主要受到强冷空气短时变化的影响，对桥梁整体的混凝土结构产生均匀性的影响，所产生的应力也比较大；年温变化比较缓慢，但对结构整体的位移影响比较大。

1.3温差应力

桥梁混凝土结构的温差应力呈均匀分布状态，局部的变化对桥梁整体温差分布影响比较小，再加上混凝土材料具有均质和各向同性的特征，所以在发生裂缝之前，就能够利用弹性变化的规律，计算出温差荷载状态下的温差应力。譬如铁路桥梁的梁底部温度分布，通常沿着高度的方向单向分布，温度的自由应变在截面平面变形之后，可以根据截面的内力平衡原理，求出截面上边缘和下边缘的自约束应力。再如箱型桥梁的截面温差应力，也可以利用这种方法求出桥面板的纵向应力和横向应力。

2桥梁混凝土工程热传导试验的基本原理

桥梁工程的混凝土固体热传导，与热流量相关，在单位时间内经过混凝土面积的热流量和温度梯度成正比关系。热流量的大小可以用以下公式 表示，该公式中，λ 指的是混凝土的导热系数，基本单位为KJ/（m.h.℃）。

从公式可以看出，qx和x两者之间属于函数关系，如果用泰勒级数展开表示热流量，并取最前面的两项，可以得出：

则沿着x方向、y方向、z方向净热的流入量，取值分别为：

我们假设水泥在水化热的时候，固定时间之内热量在单位体积中的散发量Q，则固定时间内热量在单位体积dxdydz中的散发量为Qdxdydz。在dt时间之内，温度升高后，混凝土六面体热量的吸收量为：

上式中c指的是六面体的比热，基本单位为KJ/（kg・℃）；ρ指的是六面体的密度，基本单位为kg/ m3；t指时间，基本单位为h。

热量需要保持平衡的状态，因此在温度升高之后，吸收的热量等于外部流入净热量和内部水泥水化热产生热量的总和，如下所示：

上式经过删减，可以得出如下混凝土固体中的热传导方程式：

上式中，α指的是混凝土固体中的导温系数，其大小可通过公式α=γ/cρ算出，基本单位为m2/h。

混凝土在绝热状态下，水热化的作用会导致温度上升，其上升的速度可以用以下公式表示：

上式中，θ指的是水热化作用下绝热状态混凝土的温升，基本单位为℃；W指的是混凝土当中的水泥含量，基本单位为kg/m3；Q指的是混凝土中单位重量的水泥，在固定时间水化热反应所释放的热量，基本单位为KJ/（kg・h）。

由上式可以将热传导的公式简化为：

假设温度在不同的时间内没有变化，则 ，则根据上式可以得出：

这种在不同时间段不会产生变化的温度场，就是我们常说的稳定温度场。

3通过热传导试验得出的边值条件

以上的热传导方程式，建立在桥梁混凝土的温度、时间和空间三者之间关系的基础之上，而且能够满足热传导方程的解有很多，温度场的确定必须了解初始和边界的条件。初始条件指的是混凝土内部在初始的瞬间温度分布规律，而边界条件指的是混凝土的表面和混凝土周围空气、水等介质之间温度相互传递规律，两者统称为混凝土的边值条件。

在初始条件下，混凝土温度场的坐标为（x，y，z），已知的函数为T0（x，y，z），当t=0的时候：T （x，y，z）= T0（x，y，z）

初始条件下的瞬间分布温度大小，可以是一个常数，这时候如果t=0，则：T （x，y，z）= T0 =常数

在边界条件下，可以用四种方式求出：

方式一：时间T已经函数是混凝土表面温度，公式如下：T（t）=f（t）如果混凝土和水有接触面，则混凝土表面的温度和已经知道水的温度是一样的，这种情况的混凝土属于边界条件。

方式二：时间T的已知函数是混凝土表面的热流量，公式如下： 上式中，n指的是混凝土表面外的法线方向，如果混凝土的表面绝热，则：

方式三：有热量经过混凝土表面，而这时边界条件假定的情况，其中混凝土表面的温度T，和现场温度TA的差值成正比关系，则： 上式中β指的是混凝土表面热量放出的系数，基本单位为KJ/（m2・h・℃）。

如果混凝土表面热量放出的系数趋于无限，则T=TA，这种边界条件可以转换成为第一种边界条件；如果混凝土表面热量放出的系数β =0时， ，则这种边界条件会转换成为绝热条件。

方式四：混凝土不同的界面接触，而且接触面条件良好，则接触面之间温度和热流量的传递都是连续的，此时的边界条件如下所示：

假设混凝土不同的界面接触，但接触面的条件不良，则接触面之间温度的传递是非连续性的，T1≠T2，则要采用接触热阻的方法，将接触面缝隙里面的热容量排除在考虑范围之外，以使得接触面之间的热流量保持平衡的状态，则边界条件如下所示：

式中Rc指的是由于混凝土界面之间接触不良，

而出现的热阻，热阻的大小需要根据试验的结果

确定。假设温度在不同的时间内都不会变化，即

，则可以根据上式得出：

以上这种在不同时间段温度不变的温度场，就是我们常说的稳定温度场。

另外，我们还需要通过制定详细的施工设计方案、完善的技术控制措施、行之有效的管理方法，突破施工技术的瓶颈而确保混凝土稳定性。从工程的实践分析，则要求从施工环境、材料、设备、人工等方面的因素进行协调施工，实现施工前、中、后的协调控制，避免一些重要的施工步骤和技术难点被忽略而造成重大的工程事故。笔者借助以往的工程经验，进行桥梁混凝土工程热传导试验，确保桥梁能够有效承担温度荷载，避免局部的裂损。

4结束语

综上所述，桥梁的混凝土结构，温度应力对其稳定性的影响最为明显，其中温度分布、温度荷载等是构成温度应力的主要因素，譬如混凝土的导热系数比较小，以致其外表温度出现急剧变化之后，内部温度的变化迟缓，呈非线性分布的状态。在确定热传导试验对象的基础上，笔者基于热传导试验的基本原理，确定混凝土固体热传导，与热流量相关，在单位时间内经过混凝土面积的热流量和温度梯度成正比关系，并通过以上的热传导方程式，建立在桥梁混凝土的温度、时间和空间三者之间关系的基础之上，鉴于能够满足热传导方程的解有很多，因此温度场的确定必须了解初始和边界的条件，其中包括桥梁混凝土内部在初始的瞬间温度分布规律的初始条件，以及桥梁混凝土的表面和混凝土周围空气、水等介质之间温度相互传递规律的界条件指，即桥梁混凝土工程的边值条件。