组合高墩大跨连续刚构桥箱梁日照温度场观测与效应分析

肖新辉，刘扬，郭鑫，鲁乃唯

(1．长沙理工大学土木与建筑学院，湖南长沙410114;2．长沙理工大学交通科学研究院，湖南长沙410114)

在年气温变化，日照和骤然降温等温度效应的作用下，桥梁结构会产生温度应力，这种温度应力有时甚至比其他外荷载引起的应力还大，导致桥梁出现裂损;尤其对于气候多变的山区高墩大跨刚构桥，若截面温差过大，成桥后产生的附加内力将对结构产生不可忽视的影响。

随着西部交通建设的迅速发展，越来越多的预应力混凝土箱梁出现各种病害，尤为严重的是温度裂缝。目前，我国现有桥梁温差计算全国范围内的标准统一，而我国幅员辽阔各个地区的温度场不同，考虑到混凝土箱梁与钢管混凝土高墩组合结构以及地区间自然环境的差别，为适用桥梁工程设计，在实际应用中不能简单套用中国和其他国家的温度梯度模式，而须通过实测来分析该地区组合结构混凝土箱梁的温度梯度模式。因此，对雅安地区钢管混凝土高墩大跨混凝土箱梁截面温度场进行试验研究是非常有工程实用价值。

近年来，国内外部分学者对结构的温度场进行了相应的研究，刘兴法［1］论述了薄壁空心墩在日照和寒流降温作用下的截面温度场的分布和变化规律，基于大量实测数据，采用数理统计方法，拟合出相应的温度梯度公式，并提出相应温差应力的计算方法;刘扬等［2］论述了钢管混凝土高墩在寒流降温作用下的截面温度场的分布和变化规律，并给出相应的温度梯度公式与温差效应对结构的影响;王毅［3］分析了日照作用下主梁截面温度场的变化规律，在日气候条件变化下，研究表明混凝土箱梁的温度变化周期为24 h，呈现正弦曲线波动变化;KehlbeckF［4］和 Hoffman 等［5］以预应力混凝土箱型梁桥为研究对象，通过对实桥的温度场和变形进行长期了观测，根据不同的温度应力的计算方法，认为大气温度、太阳辐射与日照温度变化是引起箱型梁桥的温度场呈现非线性分布的主要因素;李全林［6］计算分析和 试验都表明，混凝土箱梁截面上的温度呈现非线性分布主要是由太阳辐射引起的，且非线性温差在腹板产生很大拉应力，设计中必须重视温度效应带来的影响，防止温差拉应力在腹板上产生裂缝。但是，我国关于温度场对于钢管混凝土(CFST)高墩大跨连续刚构桥这种新型组合结构的影响研究正处于起步阶段，特别是在西部地区的高墩大跨结构还需进一步研究。

结合实测数据分析日照对于高墩大跨混凝土箱梁截面温度场的影响，得出高墩大跨混凝土箱梁截面温度场在不同天气的变化规律;运用数理统计方法，拟合高墩大跨混凝土箱梁截面在日照升温模式下的温度梯度模式;采用有限元程序仿真分析实测温度梯度对于钢管混凝土组合结构的影响。

1 工程概述

腊八斤特大桥主跨为跨峡谷的组合高墩连续刚构桥，其中最大跨跨径为200 m，主桥共4跨，跨径组合类型为:105 m+2×200 m+105 m，上部结构形式为预应力混凝土箱梁，箱梁采用单箱单室，底板宽6．8 m，顶板全宽12．1 m，为3向预应力结构。全桥采用挂篮分段现浇，边跨现浇段与箱梁跨中的梁高为3．8 m，墩顶0号块梁段与箱梁根部截面梁高均为12．75 m。箱梁梁高从跨中至箱梁根部截面呈现1．8次抛物线变化。

桥墩为分幅式钢管混凝土组合高墩，10号最高墩为182 m，钢管混凝土组合高墩钢管表面采用20 cm厚钢筋混凝土外包，每个桥墩子由4根直径为1 320 mm钢管组成格构柱，4根钢管之间采用型钢焊接连接成型，再在管内浇注C80自密实混凝土。

2 测试仪器及测点的布置

2．1 试验仪器选择

采用JMT－512型自动温度测试仪，该仪器由长沙金码公司生产，具有自动连续采集半个月以上的数据功能，数据输出端口与电脑接口匹配，大量的实测数据便于专业软件的筛选优化处理。截面温度测点测量精度为0．5℃。采用相同传感器同步测量室外大气温度。数据采集要求时间性强，且保证同时测得，并尽量选择在有差异的天气中进行。

2．2 测温点的断面选择与测点布置

文献［3－8］表明:桥梁结构在沿着桥梁长度方向的温度分布很接近，可以近似认为桥梁长度方向方向截面温度场分布一致。在此基础上，测量断面的选择应具有代表性。腊八斤大桥10号钢管混凝土墩高近182 m，选择在该墩的大桩号方向主梁3号截面处，沿整个截面布置了30个测点，分别布置在顶板，腹板以及底板处，顶板沿竖直方向每隔3 cm对应1个测点。位置如图1所示。

3 实测箱型梁截面温度与数据分析

3．1 不同天气情况下箱梁截面温度分布

考虑到温度变化的随机性，论述不同天气下箱梁截面沿梁高方向的温度场分布，选取在晴天和雨天这两种典型不同天气下箱型梁截面的温度场数据进行图表分析，测试结果如图2和图3所示。

图1 温度测点布置Fig．1 Arrangement of temperature measurement points

表1 部分观测日风速和气温Table 1 Part of the observation of daily wind speed and temperature

图2 晴天 箱梁截面温度场实测数据 时间(2011－07－03—2011－07－04)Fig．2 the section temperature measured data(2011 －07 －03—2011－07－04，sunny)

图3 雨天 箱梁截面温度场实测数据 时间(2011－08－10—2011－08－11)Fig．3 the section temperature measured data(2011 －08 －10—2011－08－11，rain)

从图2－3可知:箱梁温度受外界温度的影响十分明显，图4为晴天时实测温度场数据，风速为微风，1 d之内外界气温变化幅度为21．2℃，太阳辐射对箱梁截面测点和大气温度测点的影响显著，箱梁顶板截面测点的温度变化规律呈明显的谐波曲线特性，顶面测点的变化规律几乎一致。受太阳辐射最为明显的便是顶板测点，其1 d之内温度变化最大的是测点1，测点2的温差次之，测点5的温差最小，沿腹板厚度方向温度变化较为平稳，底板厚度方向温度波动最小。图5所示为雨天，气温较低，最高温度为30．3℃，最大温差为8．1℃;以上数据表明:影响箱梁温度的主要因素是太阳辐射;而在不同天气下箱梁的温度梯度差异明显。

3．2 箱梁截面测点温度分布

3．2．1 顶板

箱梁截面顶板不仅是太阳辐射最强的部位，也是1 d之内辐射时间最长的地方，因此，1 d内顶板的温度变化通常最大。采集数据显示，在晴天，箱梁截面各测点与箱外气温测点的气温随时间变化呈现谐波曲线特性。然而，不同测量点温度的变化幅度随测点深度的不同有所不同。测试时间为2011年7月4日。

图4 箱梁截面顶板测点温度曲线(2011－07－04)Fig．4 Box girder cross － section the roof measuring point temperature curve(time:2011－07－04)

从图4可以看出，混凝土箱梁顶板1与13测点温度数值基本一致，甚至可以说不存在横向温差，箱梁外部大气温度变化规律与其基本一致，呈谐波曲线特性;箱外气温达到日极值的时间比顶板上表面混凝土温度达到日极值的时间提前2 h左右，最高温度可达到44．9℃。箱内温度有明显的滞后现象，且波动幅度很小。顶板由于混凝土散热慢且受到强烈的太阳辐射时间长的影响，箱梁顶板表面的混凝土温度在18∶00后明显高于同一时刻的箱外气温。

从测点1～5可以看出，箱梁顶板测点在同一位置不同深度的实测温度进行比较，结果显示，大气温度对顶板温度影响最为明显，大气温度上升速度十分迅速，沿箱梁顶板垂直方向的最大正温差值出现在15∶00点左右，而顶板上缘的混凝土最大温度值出现在14∶00时至15∶00时左右。在同一截面深度不同的测点混凝土最大温差近13℃。如果把温度测点埋置保护层深度考虑进去，箱梁顶板表面的温度测点至最外侧厚度3～5 cm，顶板竖直方向的温差将更为显著。

3．2．2 腹板

图5为腹板各测点温度实测值，由图5可知:各测点温度变化规律基本一致。箱梁内表面以及箱梁外表面测点实测温差小。此现象是在太阳辐射下，由于翼板遮蔽作用，腹板未受到太阳光直射作用造成的。温度变化幅度不大，温度较稳定，混凝土温度变化主要靠热传导来传热产生。

图5 箱梁截面腹板测点温度曲线(2011－07－04)Fig．5 Box girder cross － section the web measuring point temperature curve(time:2011－07－04)

1 d之内腹板温度测点位置混凝土温度变化幅度小于2℃。腹板内表面温度测点实测温度变化幅度不大，与箱梁中气温变化同步，而室外气温变化幅度却远大于腹板箱梁外表面混凝土温差。

3．2．3 底板

由于箱梁底板没受到太阳的直接照射，只受到箱梁顶板的辐射影响，主要以热辐射和对流为主的形式与外界进行热交换，因此，太阳辐射对箱梁底板无明显影响。测试时间为2011年7月4日。文献［6］表明底板横向温差较小。

图6 箱梁截面底板测点温度曲线(2011－07－04)Fig．6 Box girder cross－ section the bottom panel measuring point of temperature curve(time:2011－07－04)

由图6可知:箱梁底板1 d内的温差不大，1 d之内，箱梁底板同一位置、不同深度处的测点温差最大只有2℃左右，且上表面测点处的温度一般高于下表面测点的温度，这表明，夏季箱梁底负温差较小，均小于2℃，在计算时可不予考虑。

4 箱梁沿截面高度温度梯度模式

由图7可以看出:经过对2011年7月4日全天候测试截面采集的相应数据进行分析研究，在日照影响下温度场呈现不均匀分布，箱梁顶板对日照作用最为敏感;底板与腹板受日照影响微小，在梯度模式分析中可以忽略。通过现场测试，发现在15∶10时截面温差最大，温差最大的2个测点分别为顶板1号测点与5号测点，2个点的实测正温差为13℃。选择顶板测得1～5截面测点的实测数据进行分析对比，以此探索箱梁竖向温度梯度分布规律，以桥面垂直向下作为测量的正方向。顶板沿厚度方向温度变化梯度如图7所示。

图7 沿顶板高度方向温度梯度曲线(2011－07－04)Fig．7 Temperature gradient fitting curves along the height of box girder(time:2011－07－04)

6点前后，梁体温度分布较为均匀，随着时间推移顶板温度逐渐升高，而箱梁其它部分温度变化较小，接下来是顶板顶面温度大于箱梁其它部分，大致在15∶00～16∶00达到最高，此时梁体温度场分布很不均匀，顶板温度远远大于箱梁其余部分温度。因此，选择15∶00箱梁的竖向截面温差作为最不利控制温度梯度，整理具有代表性工作日的温度实测数据，依据最小二乘法原理拟合实测数据，将经过拟合后的结果与国内外有关规范规定的温度梯度进行对比，得出箱梁截面高度的初步温度梯度模式。

分析图7可知:温度梯度是非线性分布的。选取工程界常用于拟合温差的指数曲线，即假定箱梁截面沿竖直方向的温差分布形式为:

式中:To为箱梁截面竖直方向的最大温差;a为系数;y为计算点至箱梁顶面的距离。

由式(1)可知，截面在典型观测日下的温度梯度模式，绘制出箱梁截面在典型观测日下沿截面高度方向的温差拟合曲线如图8所示。实测数据与文献表明正温差最大梯度曲线应该选择一年之内的最高温差天气。基于年内连续观测数据，选取典型日照升温日所实测数据进行回归分析和拟合，求出其沿顶板厚度方向的温差分布公式为:T(y)=14．5e－6．8y。

图8 典型观测日下沿箱梁竖直截面温差拟合曲线Fig．8 Emperature gradient measured and fitting curves along the height of box girder typical weather

5 箱梁温差对钢管混凝土高墩大跨连续刚构桥的影响

5．1 有限元模型

以腊八斤特大桥为工程背景，采用大型通用有限元程序进行仿真分析，考虑钢管混凝土组合高墩与部分主梁位于曲线半径R=2 500 m的圆曲线上的结构效应，桥墩模拟时考虑钢管混凝土组合截面，计算几种国内外典型温度梯度模式作用下对结构的影响，表2部分参数取自文献［9－11］。

5．2 结构温差内力的计算结果分析

在以上4种不同温度梯度模式作用下，研究最大跨的根本截面、跨中截面、1/4截面以及墩底截面内力的变化规律，并与汽车荷载效应值进行比较分析。在实际曲线桥的有限元模型的基础上，运用上述4种温度梯度，分别计算典型截面在日照温差作用下引起的纵向弯矩，选取典型截面的计算结果如表3所示。

在表3中，对比公路－Ⅰ级汽车荷载作用下与日照升温模式下典型截面产生的纵向弯矩值，部分截面在公路－Ⅰ汽车荷载产生的弯矩小于温差温度作用下产生的纵向弯矩值。结果表明:在这类组合结构设计中，考虑日照升温所产生的温度梯度对桥梁的影响是十分必要的。

表2 各规范特征值T及温度计算模式Table 2 Each specification eigenvalue and Temperature calculation mode

表3 不同温度梯度计算模式下曲线桥纵向弯矩Table 3 Curved bridge longitudinal bending moment under different temperature gradient computation mode

通过对比上面4种工况作用下结构的内力发 现，对于墩底和箱梁关键截面产生的纵向弯矩值，工况一比工况四增幅分别为48%和51%。

5．3 结构温差应力的计算结果分析

依据上述4种温度梯度计算得到结构应力，绘制曲线桥上部箱梁由于日照温差引起的箱梁截面应力沿纵桥向变化，如图9所示。

图9 不同升温模式下箱梁底缘应力值沿跨径的变化及比较Fig．9 Box girder bottom edge stress values along the span changes and compare under warming mode

图10 不同升温模式下箱梁顶缘应力沿跨径的变化及比较Fig．10 Box girder top edge stress values along the span changes and compare under warming mode

从图9与图10可以看出，日照作用下顶板受太阳辐射作用强烈，箱梁应力分布规律:顶板出现压应力，最大值为 8．1～9．2 MPa;底板出现拉应力，在各工况下最大近1 MPa;跨中截面一般是日照温差应力最大位置。

6 结语

(1)日照作用下，曲线基本呈谐波曲线变化，靠近箱梁外表面的测点对大气温度最为敏感，温度变化幅度远大于底板;在不同的季节箱梁的温度梯度不同，太阳辐射作用下为正温差;在连续观测的大量数据基础上，选取典型天气2011－07－04T15∶10的数据进行拟合分析，结果表明箱梁沿截面竖直方向的温差分布为:T(y)=14．51－6．8y。

(2)对比表3各升温模式下各截面产生的纵向弯矩值与公路－Ⅰ汽车作用产生的最大纵向弯矩值可知，部分截面在温度作用产生的弯矩与汽车荷载产生的弯矩值基本相当。结果表明:在这类组合结构设计中，考虑日照升温对钢管混凝土高墩大跨连续刚构桥的影响是十分必要的。

(3)模式一相对于其他模式，温度效应值明显偏大。这是因为我国规范中温度梯度特征值T的取值相比于其他规范较大的缘故。模式一所产生的截面应力接近模式四的2倍。这说明我国公路桥规规定的T并不适用于四川雅安地区，计算四川雅安地区桥梁工程温度效应时，可以参考笔者提出的温度梯度模式，因地制宜恰当取值，可节约工程投资。

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