置于自然环境中的混凝土桥梁，不可避免地会受到气温变化和日辐射等作用。由于混凝土材料的导热系数较小，大气温度的变化会使桥梁内部产生较大的温差，进而造成混凝土开裂，甚至造成桥梁损坏。自20世纪60年代以来，国内外的研究人员进行了大量的桥梁温度场试验和实桥现场观测，并取得了丰富的研究成果^[1,2,3,4,5]。研究表明，混凝土桥梁纵向和横向的温度变化较小，因此可以将三维问题转化为一维问题研究；梁竖向截面上的温度梯度具有非线性特征。不同国家的学者针对各自国家不同的环境条件，提出了不同的竖向温度梯度模式，如指数函数、多折线函数和幂函数^[6,7,8,9,10]。

铺装层在桥梁结构中起着保护桥面板和分散车轮集中荷载的作用。研究发现，混凝土铺装层对桥梁结构的温度场有一定的折减作用^[4]，但各国家关于铺装层对桥梁温度场影响的研究均较薄弱。我国现行《公路桥涵设计通用规范》(JTJ D60—2004)^[6]直接沿用美国规范AASHTO二类地区的温度梯度模式，仅考虑了沥青混凝土铺装层的影响，未根据我国实情修正铺设铺装层的情况下桥梁的竖向温度梯度。因此，本文对铺设50 mm厚和100 mm厚沥青混凝土铺装层、150 mm厚和200 mm厚混凝土铺装层混凝土的T形梁进行了温度实测，研究了不同厚度、不同类型铺装层对T形梁温度梯度模式的影响。 1 试验概况 1.1 试验模型

本试验制作了2个模型试件，具体分类见表 1。试件沿梁轴方向长度为4 m。模型试件断面尺寸的确定综合考虑了以下方面：(1)以某实际工程单片T梁断面尺寸(上翼缘板宽1 600 mm，翼缘板端厚150 mm，翼缘板根部厚210 mm，腹板厚160 mm，梁高1 750 mm，跨度25 000 mm)为参考，考虑到公路桥梁翼缘板通常较长，腹板大多数时间不受日照，将梁高按1∶1.75调整为1 000 mm；(2)桥面板内沿厚度方向放置3~4层温度传感器，为了便于温度传感器安放和试件制作方便，翼缘板和腹板厚度均取为160 mm。试验模型的主要尺寸见图 1。

图 1 试验模型尺寸(单位：mm) Fig. 1 Dimensions of test specimen (unit: mm)

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为便于T梁试件放置，在试件底部浇注了混凝土基座。试验模型的纵向剖面图见图 2，置于现场的模型试件及传感器安放见图 3。

图 2 试件剖面图(单位：mm) Fig. 2 Profile of specimen (unit: mm)

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图 3 现场试件及传感器安放 Fig. 3 Specimens on site and arrangement of sensors

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混凝土主梁采用C50混凝土，铺装层采用C40混凝土。由于试验中仅是试件自重、雪荷载和温度应力，不施加其他任何荷载，所以主梁内配置4根直径为22 mm的纵向受力钢筋，均为II级钢。为防止混凝土收缩、温度变化等引起的开裂，设置φ8的分布钢筋，间距200 mm，混凝土保护层厚度为30 mm。待主梁达到一定强度后，对其顶面凿毛处理，然后浇注铺装层。桥面铺装层内设有φ6的钢筋网，以防收缩开裂。

对于沥青混凝土铺装层试件，由于模型试件尺寸偏小，若采用小型压路机，强大的夯击力可能会造成翼缘板的开裂或倾斜，因此，本文采用分层人工密实沥青混凝土，在桥梁四周均固定有模板，并保证在摊铺碾压时，不被挤压、移动。每摊铺50 mm 用木桩进行多遍高温夯实，并用石块对边角进行补充夯实，以保证沥青混凝土的密实性。 1.2 温度测点布置

沿混凝土T梁埋设多个温度传感器既不经济也不现实，一般选择一个或若干典型的截面，在选定截面的特定位置埋置温度传感器。本试验选取对称的四个截面，距梁端分别为1，1.5，2.5 m和3 m。其中，1 m和3 m处两截面，沿梁高和横向均布置温度传感器，称为主断面(图 2中A-A、B-B和D-D、E-E截面)；1.5 m和2.5 m处两截面，仅沿梁高布置温度传感器，称为副断面(图 2中a-a、b-b和d-d、e-e截面)。主断面温度传感器的布置如图 4所示，副断面与主断面中心线上的竖向测点布置相同，主、副断面共计146个测点。

图 4 T梁主断面温度传感器布置(单位：mm) Fig. 4 Arrangement of temperature sensors on main section of T-girder(unit：mm)

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本试验采用的温度传感器和综合测试系统，可进行连续监测及全自动无人值守测量，采用无线收发模块进行数据的无线传输与采集。温度传感器量程为-40~150 ℃，灵敏度0.1 ℃。

2 试验结果及分析

T梁日照温度观测数据，每2 h采集一次。对测点的温度数据进行整理分析，采用中心线沿梁高方向测点的实测温度确定混凝土T梁竖向温差分布(温度梯度)模式，以10 d为一个单位，统计6~10月期间每一单位的最大温差,比较主、副断面各单位的最大温差值，选取温差最大的观测日进行分析。A-50、B-100和D-150主、副断面最大温差观测日均为6月19日(晴)，E-200主断面最大温差观测日为6月21日(晴)，副断面仍为6月19日。

铺装层T梁同一竖向断面温度的变化差异显著，对实测的温度及相应温差数据按最小二乘法拟合，选取相关系数较高的曲线作为温差分布曲线。 2.1 沥青混凝土铺装层T梁竖向温度梯度

50 mm厚度(A-50)和100 mm厚度(B-100)沥青混凝土铺装层T梁的温差分布变化趋势基本一致，自桥面板顶面向下至100 mm的范围内，温差从最大值直线下降至6 ℃左右，之后随到梁顶面距离的增加，温差缓慢下降，呈现双折线趋势。此外，对主、副断面100多天每天的温差进行拟合发现，采用对数函数时R²≥0.93,而采用指数函数时R²≤0.8。这与其他文献^[4,8]的拟合函数不同，这可能是因为沥青混凝土铺装层的作用与受大连地理位置等因素的影响，改变了T梁的竖向温差分布模式。因此，采用对数函数和双折线对沥青混凝土铺装层T梁的竖向温差进行拟合。 2.1.1 对数函数

图 5为A-50断面和B-100断面竖向温差分布的对数函数拟合曲线图。由图 5可以看出，A-50断面的最大温差要比B-100断面高1 ℃左右，拟合曲线类似却不相同。考虑到温差分布模式的广泛适用性，50 mm厚沥青混凝土铺装层T梁沿其截面高度方向温差分布模式可取：

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图 5 沥青混凝土铺装层T梁竖向温差分布的指数、对数函数拟合曲线图 Fig. 5 Exponential and logarithmic function fitting curves of vertical temperature difference distribution of T-girder with asphalt concrete pavement layer

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图 6为A-50断面和B-100断面竖向温差分布的双折线拟合图，图中t₁，t₂分别为最大温差值和温差转折点位置处的温差值。由图 6可以看出，采用双折线进行的拟合相关性也较好。A-50断面的t₁,t₂值均比B-100断面高，这说明一定厚度的沥青混凝土虽然是吸热材料,但对桥面板也表现出一定的隔热作用。与《公路桥涵通用规范》JTG D60相比，50 mm和100 mm厚度沥青混凝土铺装层T梁的最大温差均低于规定值(分别为20 ℃和14 ℃)，但是考虑到模型制作误差和偶然因素影响，以及大连地区的地理位置和天气因素，建议提高规范中100 mm 厚度沥青混凝土铺装层T梁的最大温差值，即t₁值。此外，双折线转折点在0.1 m的位置处，与规范相同，但温差为0 ℃时的高度值却不同，A-50断面和B-100断面分别为1.1 m和1.0 m，规范为0.4 m，这主要是因为本试验T梁的翼缘短于实桥，并且腹板较薄，因而易受太阳辐射和周围环境的影响，这同时也为此类桥梁的设计提供了一定参考。

图 6 沥青混凝土铺装层T梁竖向温差分布的双折线拟合图 Fig. 6 Double broken line fitting curves of vertical temperature difference distribution of T-girder with asphalt concrete pavement layer

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150 mm厚度(D-150)和200 mm厚度(E-200)混凝土铺装层T梁的温差分布与沥青混凝土铺装层T梁不同，自桥面板顶面向下至250 mm范围内，温差从最大值直线下降至2~2.5 ℃，之后随与梁顶面距离的增加，温差几乎不变，继而缓慢下降，呈现三折线趋势。而对主、副断面100多天每天的温差进行拟合发现，拟合曲线函数与A-50断面和B-100断面正好相反，采用对数函数时R²=0.6~0.85,而采用指数函数时R²≥0.88。因此，采用指数函数和三折线函数对混凝土铺装层T梁的竖向温差进行拟合。 2.2.1 指数函数

图 7为D-150断面和E-200断面竖向温差分布的指数函数拟合曲线图。由图 7可以看出，距离桥面板同一高度处的温差值，D-150断面大于E-200断面不到1 ℃，且最大温差也仅相差0.7 ℃。考虑到实际工程中各种影响因素的复杂性，也为了增大温差模式的实用性，混凝土铺装层T梁沿其截面高度方向的温差分布模式可统一取为：

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图 7 混凝土铺装层T梁竖向温差分布的指数、对数函数拟合曲线图 Fig. 7 Exponential and logarithmic function fitting curves of vertical temperature difference distribution of T-girder with concrete pavement layer

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图 8为D-150断面和E-200断面竖向温差分布的三折线函数拟合图。由图 8可以看出，采用三折线函数进行拟合，其相关性较指数函数好。与《公路桥涵通用规范》JTG D60相比较，150 mm和200 mm厚度混凝土铺装层T梁的最大温差均明显低于素混凝土表面的规定值(25 ℃)。此外，规范的温度梯度模式采用双折线，本试验采用三折线，转折点分别在距离桥面板顶面0.25 m和0.6 m的位置处。这说明桥梁铺装层直接降低了主梁的温差，对桥梁起到一定的保护作用。对内梁，腹板不受阳光直射，温度可能会下降，无需用三折线描述，然尚需要试验数据证明。

图 8 混凝土铺装层T梁竖向温差分布的三折线拟合图 Fig. 8 Three broke line fitting curves of vertical temperature difference distribution of T-girder with concrete pavement layer

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英国BS-5400规范^[7]、美国AASHTO规范^[8]和澳大利亚规范^[5]中的正温差梯度模式均采用双折线模式，但是英国BS-5400规范明确规定混凝土梁上铺设100 mm的混凝土板或混凝土桥面；美国AASHTO规范分为三种情况，分别为未铺设铺装层、铺设50 mm或100 mm厚度的沥青桥面；而澳大利亚规范仅有未铺设铺装层时一种温差梯度模式。新西兰桥梁规范NZBM—2003中的正温差梯度模式为5次幂函数模式^[9]，分为桥梁上未铺设铺装层或铺设黑色沥青层两种情况，该温度梯度模式早在20世纪70年代已被当时的桥梁设计规范所采用，并一直沿用至今。

我国公路桥涵设计通用规范JTG D60—2004^[6]直接采用美国AASHTO规范中2区的规定，采用双折线模式。我国铁路规范TB 10002.3—2005^[10]只规定了箱梁的温差分布模式，采用指数函数表示，对于有碴箱梁只考虑沿梁宽方向的温差荷载；对于无碴无枕箱梁需要分别考虑沿梁高方向的温差荷载和两个方向的组合温差荷载。

不考虑梁底温差时，国内外规范中各温度梯度模式及温度参数见表 2。因铺装形式不同，比较各温度梯度模式中最大温差及距离桥面板统一高度处温差的做法有些不妥。

图 9为不考虑梁底温差时，国内外规范及本试验中各温度梯度模式比较图。因中国铁路规范在桥梁无碴时需分别考虑沿梁高方向的温差荷载和两个方向的组合温差荷载，故在图 9中未包含。

图 9 温度梯度模式比较 Fig. 9 Comparison of temperature gradient modes

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通过对铺设不同厚度、不同类型铺装层T梁温差分布的研究，以及国内外规范中关于温度梯度模式的对比，得出以下结论：

(1)日照下混凝土T梁沿截面竖向高度的温差分布为非线性分布，铺设同一类型铺装层的T梁具有相同的温差分布模式。

(2)沥青混凝土铺装层T梁的竖向温差可采用对数函数和双折线函数描述，混凝土铺装层T梁的竖向温差可采用指数函数和三折线函数描述。

(3)国内外规范中温度梯度模式主要有多折线模式、幂函数模式和指数函数模式等，英、美等国规范中关于温度的规定较为全面，而我国沿用美国2区的规定，相对来说不够系统。