珠江黄埔大桥钢箱梁温度长期监测与分析

丁幼亮 王晓晶 王高新 郭毅霖 闫 昕 孙 鹏 李爱群 李万恒

(1东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室，南京210096)

(2交通运输部公路科学研究院，北京100088)

大跨桥梁结构由于受到四季交替的日照作用会出现较大的变形、温度自应力以及附加应力［1-2］.因此，温度作用是影响大跨桥梁全寿命性能的重要因素之一.自20世纪60年代以来，各国桥梁工作者对混凝土箱梁结构在太阳辐射作用下的温度分布、影响因素及分析方法做了大量的研究工作.例如，Mirambell等［3］利用热传导方程推导了混凝土箱梁的竖向温度场分布;叶见曙等［4-6］对混凝土箱梁桥进行了大量实测，采用统计分析方法计算了预应力混凝土箱梁竖向正温差和负温差的概率分布函数及其标准值;Li等［7］通过对预应力混凝土深梁横截面温度场的现场实测与分析，提出了适用于结构设计的温度分布模型，并与加拿大桥梁设计规范进行了对比;孙国晨等［8］对哈尔滨四方台大桥的钢-混凝土叠合梁主梁腹板在日照作用下的竖向温度场分布进行了理论分析，并通过仿真计算验证了此计算方法的合理性;方志等［9］对一特大型预应力混凝土连续箱梁桥进行了连续的温差效应观测，提出了一种适合于中国中部地区的同时考虑箱梁竖向和横向温差的温度梯度模式.然而，已有研究工作主要针对混凝土箱梁在太阳辐射作用下的温度统计特性，对于扁平钢箱梁温度场监测与分析研究工作则少有报道.孙君等［10］基于润扬大桥悬索桥和斜拉桥钢箱梁的温度观测结果，定性分析了扁平钢箱梁在日照作用下的温度分布特征.因此，目前对用于扁平钢箱梁温度作用计算的温度和温差取值缺乏实测依据，有必要定量研究扁平钢箱梁结构的温度和温差统计分布特性，并提出适合结构设计的温度和温差标准值.

本文以珠江黄埔大桥北汊斜拉桥和南汊悬索桥为研究对象，对安装于桥上的健康监测系统获取的为期一年的钢箱梁温度监测数据进行分析，采用统计学方法建立钢箱梁顶板和底板温度以及顶板和底板竖向温差的概率分布模型，得到了具有一定重现期的钢箱梁温度和竖向温差标准值.研究成果可为深入研究珠江黄埔大桥斜拉桥和悬索桥的温度效应提供依据，并可为我国温热地区的大跨钢箱梁桥全寿命设计提供参考.

1 珠江黄埔大桥扁平钢箱梁的观测断面及测点布置

珠江黄埔大桥位于广州东南部，由北引桥、北汊主桥、中引桥、南汊主桥、南引桥5部分组成.其中，北汊主桥为主跨383 m的独塔双索面钢箱梁斜拉桥，南汊主桥为主跨1 108 m的单跨钢箱梁悬索桥，主梁均为扁平流线形钢箱梁.北汊斜拉桥钢箱梁全宽41 m，梁高3.5 m;南汊悬索桥钢箱梁全宽41.69 m，梁高3.5 m.为研究珠江黄埔大桥钢箱梁的温度分布特性，本文采用南北汊主桥的跨中位置温度传感器的长期监测结果进行分析，图1给出了斜拉桥和悬索桥钢箱梁横截面的温度传感器布置图.

图1 钢箱梁横截面温度传感器布置图

2 钢箱梁温度监测结果与分析

2.1 温度极值特征

选取珠江黄埔大桥2010-09—2011-08一年的温度实测数据进行分析.图2给出了斜拉桥和悬索桥钢箱梁测点温度TC1和TS1的年实测曲线.首先对南北汊主桥温度传感器的温度样本进行极值分析.表1给出了斜拉桥和悬索桥钢箱梁测点温度最大值和最小值.由表1可以看出:①南北汊主桥钢箱梁温度冬季较低、夏季较高，年温度变化具有明显的季节特征;②南北汊主桥钢箱梁顶板温度最大值比底板温度最大值高8℃左右，顶板温度最小值则与底板温度最小值相接近，可见钢箱梁存在较大的竖向正温差;③南北汊主桥钢箱梁顶板、底板对称测点的温度极值相接近，钢箱梁横截面温度分布关于中轴基本对称.

图2 南北汊主桥钢箱梁温度的年实测曲线

表1 南北汊主桥钢箱梁温度极值 ℃

2.2 温度概率统计特征

分别对珠江黄埔大桥南北汊主桥钢箱梁测点C1～C4，S1～S4的温度样本 TC1～TC4，TS1～TS4进行统计分析.通过对多个概率分布模型的拟合优度比较，最终选用2个正态分布的加权和来描述钢箱梁温度的概率统计特性，其概率密度函数表达式为

式中，fN(T，μi，σi)为变量为 T、均值为 μi、标准差为σi的正态分布函数;vi为第i个正态分布函数的权重;μi，σi和 vi(i=1，2，…，n)为待估计参数，本文取n=2.

图3给出了悬索桥和斜拉桥温度样本TC1，TC3，TS1，TS3的概率密度柱状图及估计曲线.可以看出，估计的概率密度函数能够准确反映温度样本的概率统计特性.珠江黄埔大桥北汊主桥TC1～TC4与南汊主桥TS1～TS4的概率密度曲线参数估计值如表2所示.

图3 南北汊主桥温度的概率密度柱状图及估计曲线

2.3 温度标准值

我国《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2004)规定温度(均匀温度和梯度温度)作用属于可变作用［11］.可变作用的代表值分为标准值、频遇值或准永久值，但《公路工程结构可靠度设计统一标准》(GB/T 50283—1999)仅规定了可变作用的频遇值和准永久值的取值方法，未说明标准值的计算方法，故本文温度标准值参照欧洲结构设计标准Ⅰ的规定，即温度作用的标准值是具有50年重现期的特征值［12］.按照我国桥梁规范规定的设计基准期100年计算，设计基准期内最大温度作用超过特征值次数的数学期望为2次.据此利用表2估计的温度概率密度函数可以分别计算出测点温度标准值(TC1，k～ TC4，k，TS1，k～ TS4，k)的最大值和最小值，如表3所示.可以看出，南北汊主桥钢箱梁顶板温度标准值最大值为64.0℃，最小值为 －14.0℃，底板温度标准值最大值为58.3℃，最小值为－9.4℃，并且顶板温度标准值比底板温度标准值高6℃左右，说明钢箱梁存在较大的竖向正温差，有必要进一步研究钢箱梁竖向正温差特性.

表2 钢箱梁测点温度概率密度曲线参数估计值

表3 南北汊主桥钢箱梁温度标准值 ℃

3 钢箱梁竖向温差监测结果与分析

分别计算钢箱梁顶板测点 C1，C2，S1，S2与底板测点 C3，C4，S3，S4之间的竖向温差 TC13，TC24，TS13，TS24，并取其正温差样本进行分析.图4给出了竖向正温差样本T+C13，T+S13的年实测曲线.通过对多个概率分布模型的拟合优度比较，最终选用2个Weibull分布的加权和来描述竖向正温差样本的概率统计特性，其概率密度函数表达式为

式中，fW(T，αi，βi)为变量为 T、尺度参数为 αi、形状参数为βi的Weibull分布;vi为第i个Weibull分布的权重;αi，βi和vi为待估计参数，本文取n=2.

图4 南北汊主桥钢箱梁竖向正温差的年实测曲线

图5给出了悬索桥和斜拉桥竖向正温差样本的概率密度柱状图及估计曲线.可以看出，估计的概率密度函数能够准确反映竖向正温差样本的概率统计特性.南北汊主桥钢箱梁竖向正温差的概率密度曲线参数估计值如表4所示.利用表4估计的温差概率密度函数可以计算出竖向正温差标准值，如表5所示.

图5 南北汊主桥竖向正温差的概率密度柱状图及估计曲线

表4 钢箱梁竖向正温差的概率密度曲线参数估计值

表5 南北汊主桥钢箱梁竖向正温差标准值 ℃

4 结论

1)扁平钢箱梁横截面冬季温度较低、夏季温度较高，年温度变化具有明显的季节特征，且横截面的温度分布关于中轴基本对称.

2)钢箱梁顶板和底板温度均可以通过2个正态分布函数的加权和来描述其概率分布.通过极值分析得到顶板50年一遇的温度标准值最大值为64.0℃，最小值为－14.0℃，底板50年一遇的温度标准值最大值为58.3℃，最小值为－9.4℃.

3)钢箱梁顶板与底板之间的竖向温差以正温差为主，可以通过2个Weibull分布函数的加权和来描述其概率分布，通过极值分析得到50年一遇的竖向正温差标准值最大值为14.2℃.

必须指出，本文的结论是针对珠江黄埔大桥钢箱梁的温度实测数据得出的，对于其他不同太阳辐射地区的钢箱梁桥温度分布特征还有待大量的现场实测和分析积累，也是今后努力的方向.

References)

［1］Ding Y L，Li A Q.Temperature-induced variations of measured modal frequencies of steel box girder for a long-span suspension bridge［J］.International Journal of Steel Structures，2011，11(2):145-155.

［2］Xu Y L，Chen B，Ng C L，et al.Monitoring temperature effect on a long suspension bridge［J］.Structural Control＆Health Monitoring，2011，17(6):632-653.

［3］Mirambell E，Aguado A.Temperature and stress distributions in concrete box girder bridges［J］.Journal of Structural Engineering，1990，116(9):2388-2409.

［4］叶见曙，贾琳，钱培舒.混凝土箱梁温度分布观测与研究［J］.东南大学学报:自然科学版，2002，32(5):788-793.Ye Jianshu，Jia Lin，Qian Peishu.Observation and research on temperature distribution in concrete box girders［J］.Journal of Southeast University:Natural Science Edition，2002，32(5):788-793.(in Chinese)

［5］雷笑，叶见曙，王毅.日照作用下混凝土箱梁的温差代表值［J］.东南大学学报:自然科学版，2008，38(6):1105-1109.Lei Xiao，Ye Jianshu，Wang Yi.Representative value of solar thermal difference effect on PC box-girder［J］.Journal of Southeast University:Natural Science Edition，2008，38(6):1105-1109.(in Chinese)

［6］叶见曙，雷笑，王毅.基于统计分析的混凝土箱梁温差标准值研究［J］.公路交通科技，2009，26(11):50-54.Ye Jianshu，Lei Xiao，Wang Yi.Study of characteristic value of thermal difference of concrete box girder based on statistical analysis［J］.Journal of Highway and Transportation Research and Development，2009，26(11):50-54.(in Chinese)

［7］Li D N，Maes M A，Dilger W H.Thermal design criteria for deep prestressed concrete girders based on data from Confederation Bridge［J］.Canadian Journal of Civil Engineering，2004，31(5):813-825.

［8］孙国晨，关荣财，姜英民，等.钢-混凝土叠合梁横截面日照温度分布研究［J］.工程力学，2006，23(11):122-127，138.Sun Guochen，Guan Rongcai，Jiang Yingmin，et al.Sunshine-induced temperature distribution on cross section of steel-concrete composite beams［J］.Engineering Mechanics，2006，23(11):122-127，138.(in Chinese)

［9］方志，汪剑.大跨预应力混凝土连续箱梁桥日照温差效应［J］.中国公路学报，2007，20(1):62-67.Fang Zhi，Wang Jian. Sun light thermal difference effect on long-span PC continuous box girder bridge［J］.China Journal of Highway and Transport，2007，20(1):62-67.(in Chinese)

［10］孙君，李爱群，丁幼亮.润扬长江大桥钢箱梁的温度分布监测与分析［J］.公路交通科技，2009，26(8):94-98.Sun Jun，Li Aiqun，Ding Youliang.Observation and research on temperature distribution in steel box girders of Runyang Yangtse River Bridge［J］.Journal of Highway and Transportation Research and Development，2009，26(8):94-98.(in Chinese)

［11］中交公路规划设计院.JTG D60—2004公路桥涵设计通用规范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［12］Fu Yongda，DeWolf J T.Effect of differential temperature on a curved post-tensioned concrete bridge ［J］.Advances in Structural Engineering，2004，7(5):385-397.