无铺装层扁平预应力混凝土连续梁的温度梯度研究

李自林，李长辉，陈国胜，张文卷

（1.天津城建大学土木工程学院，天津 300384；2.天津大学建筑工程学院，天津 300072；3.中铁十八局集团第二工程有限公司，河北唐山 064000）

无铺装层扁平预应力混凝土连续梁的温度梯度研究

李自林1，李长辉2，陈国胜3，张文卷3

（1.天津城建大学土木工程学院，天津 300384；2.天津大学建筑工程学院，天津 300072；3.中铁十八局集团第二工程有限公司，河北唐山 064000）

温度应力是影响大跨径桥梁结构使用性能的最主要因素之一，准确的温度场分布模型是计算结构温度应力的基础．基于子牙河特大连续梁桥监测数据的分析结果，得出截面不同位置温度随时间的变化规律，提出了无铺装层扁平混凝土箱梁竖向、横向温度梯度拟合公式，并应用ANSYS软件进行数值模拟．结果表明：扁平混凝土箱梁横向温度分布具有明显的对称性，顶板横向不同位置温差较大，腹板和底板位置横向温差较小；竖向温度梯度可以用指数函数加一次函数的形式进行拟合；横向温度梯度可以用一次函数分段表示，所得结论对于类似桥梁的理论研究、设计及施工具有很好的参考价值．

桥梁工程；扁平预应力混凝土箱梁；日照温差效应；温度梯度

0 引言

日照温度变化对桥梁结构影响显著，确定其合理的温度场是对日照温度变化引起的结构响应进行分析的前提和关键．我国的《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1-2005)只给出了有铺装层混凝土梁温度梯度公式．对于无铺装层混凝土箱梁而言，由于桥面板直接受到太阳照射，温度变化将更加显著．

目前，国内外对于混凝土箱梁温度梯度研究较多，对无铺装层混凝土箱梁温度梯度的研究较少．对混凝土箱梁竖向温度梯度研究较多，对其横向温度梯度研究相对较少．文献[1]和文献[2]对施工阶段无铺装层箱梁温度场进行了研究，但主要偏重于考察日照温差对施工阶段结构线形和内力的影响，并未给出无铺装层箱梁温度场的梯度模式．文献[3]着重对混凝土箱梁的竖向温度梯度进行研究，并未考虑混凝土箱梁横向温度梯度的影响．随着混凝土箱梁在大跨径连续梁桥和斜拉桥中的广泛应用，为了较准确地考虑日照温度变化对无铺装层混凝土箱梁的影响，对其日照温度场进行深入的研究显得尤为迫切．

本文以津保铁路引入天津西站工程子牙河特大连续梁为工程背景，对其无铺装层混凝土箱梁进行了为期半年的现场监测，并对实测温度进行计算和比较；采用指数函数加一次函数的形式对无铺装层混凝土箱梁竖向温度梯度进行了拟合，采用一次函数的形式对横向温度梯度进行了拟合，并借助软件ANSYS对拟合的竖向、横向温度梯度曲线进行对比验证．

1 扁平箱梁温度测点布置及测试结果分析

现场实测对象为在建津保铁路引入天津西站工程子牙河特大桥道岔连续梁，主桥跨径30.226 m+ 1 131.176 m+30.226 m，东西走向．桥梁上部结构为单箱多室预应力混凝土箱梁，采用C55混凝土，箱梁顶板梁宽23.2 m，悬臂宽1.9 m，桥面等高度3 m，具体尺寸如图1所示．由于桥梁结构对称，选取1/2结构布置测点，图2为津保铁路引入天津西站工程子牙河特大桥道岔连续梁温度监测断面的传感器布置示意图，测试断面为连续箱梁的跨中断面，每个断面共有23个温度测点，本文选取单箱四室箱梁的一跨跨中断面的温度监测数据进行分析．

图1 箱梁截面尺寸图Fig.1 Box beam section size

图2 温度传感器布置图Fig.2 Thermal observation points position

对津保铁路引入天津西站工程子牙河特大桥道岔连续梁2014年5月～10月的温度监测数据进行分析．以2 h为基本时距对温度数据进行整理分析．研究发现，一日大气温度的实测曲线是类似正弦曲线，在此规律的基础上，选取50 d天气良好的温度实测数据进行研究，得出桥址地区温度数据的统计分布特征．

图3 桥址环境温度Fig.3 Environmental temperature around the bridge

图3为桥址环境温度实测结果（10月5日、10月6日），从10月5日早上8时开始记录．第1日大气温度最大温差为6℃，梁顶日最大温差为1.9℃，梁底日最大温差为0.5℃；第2日大气最大温差为9℃，梁顶日最大温差为1.7℃，梁底日最大温差为0.5℃．实测结果表明，梁顶由于受到太阳的直接照射，其气温变化幅度明显，一日大气最高温度出现在14:00，但梁顶的最高温度第1天出现在16:00，第2天也出现在16:00，以往研究表明，混凝土是热的不良导体，在外界气温等边界条件发生变化时，需要一定时间才能对板件内部的混凝土产生影响[4]．实测数据表明，梁体的温度并未随大气温度变化而立刻变化，而是出现了明显的滞后现象，滞后时间平均在2 h左右．由于翼缘板的存在，腹板、梁底不能受到太阳的直接照射，在一日之中温度基本稳定，保持在23～25℃．

图4为梁截面各测点的实测温度．由实测数据发现，横向分布的各等高测点具有相同的温度变化规律，在一天中的同一时刻达到温度的峰值，且温度变化曲线趋势相同．腹板和底板温度变化较小，基本不变，相对于腹板和底板测点，梁顶各测点温度随外界温度变化明显，且存在较大的横向温差，越接近截面中部，测点温度越高，最大横向温差为4℃．

图4 等高测点温度比较Fig.4 Equal altitude temperature comparison

2 竖向温度梯度模式

在混凝土箱梁桥中考虑日照温度场对梁体影响时，一般取梁体顶板、底板产生最大温差时所对应的竖向温度梯度进行研究．为此，针对津保特大铁路桥进行为期半年的数据测量，提取其中日照最强烈、规律性较强的50组数据进行分析，结合以往研究经验，应用最小二乘法拟合箱梁竖向实测温度数据，最终确定扁平箱梁竖向温度梯度拟合公式(1)，如图5所示，距离梁顶1 m范围内按指数函数形式拟合，1～2 m范围内按线性形式拟合，2 m以上竖向温差为0．

式中：T1和T2为扁平箱梁竖向温度梯度基数，T1=25，T2= 10；y为测点到梁顶板的距离，m；a为扁平箱梁竖向温度梯度计算参数，a=2.0．

在选取的50组数据中，大部分温度实测值与测点拟合值离散性较小，差值在1以内；个别差值较大测点，拟合差值在3以内．

图5 竖向温度梯度/cmFig.5 Vertical temperature gradient of box girder

3 横向温度梯度模式

如上所述，梁中、梁底位置混凝土箱梁横向温度测点梁体温度随外界温度变化很小，并没有表现出明显的横向温差；但在梁顶面上，由于太阳的直接照射，不同横向位置出现了较大的横向温差．

实测结果发现，在不同的时间记录点，温度分布曲线趋势相同，说明横向温度梯度存在明显的规律性．由于结构对称，取1/2结构进行计算，以梁中心为坐标原点，应用最小二乘法拟合横向实测温度数据，最终确定扁平箱梁横向温度梯度分布，如图6所示．其中，翼缘板和顶板呈现反向温度梯度分布模式．

式(2)和式(3)分别为翼缘板、顶板横向温度梯度公式．式中，A1、A2、B1、B2为扁平箱梁竖向温度梯度基数，A1=0.87，B1=6.96，A2=0.375，B2=3．

选取夏季7月5日14:00实测数据与拟合曲线公式进行对比，如图7所示．在选取的50组数据中，大部分温度实测值与测点拟合值离散性较小，差值在1以内；个别差值较大测点，拟合差值在2以内．

4 有限元对比分析

运用有限元软件ANSYS的瞬态热分析对混凝土箱梁温度场进行理论分析，选用四边形单元PLANE55，计算时间为上午8:00至第2天上午8:00，将太阳辐射强度、热辐射、对流换算为综合换算系数施加于模型边界上，同时每隔2 h为一个荷载步施加温度荷载，分为12个荷载步，荷载步之间的温度按线性插值计算．根据实测数据并参考相关文献，得到有限元模型所需的混凝土物理参数和热传导计算参数值，如表1～表3所示，并设定钢箱梁梁体初始温度为30℃．

表1 混凝土物理参数Tab.1 Physical parameters of concrete

表2 综合换算系数计算表Tab.2 Comprehensive conversion coefficient

表3 大气实测温度表Tab.3 Atmospheric temperature of the bridge site

图6 横向温度梯度Fig.6 Transverse temperature gradient of box girder

图7 实测温度曲线与拟合温度曲线对比Fig.7 The measured curve compared with the fitted curve

图8 箱梁单元划分图Fig.8 Element mapp ling of box girder

不考虑温度沿纵桥向的变化[10]，按实际尺寸建立模型，如图8所示．

在子牙河特大桥道岔连续梁施工过程中，选择一跨跨中截面进行温度场观测，测点布置见图2所示，共布置了23个温度测点，每隔2 h对所有测点观测一次．选取夏季7月5日14:00实测数据和对应有限元计算结果进行比较，结果如图9所示．

图9表明，箱梁顶板、底板温度计算值和实测值均比较吻合，温度走势相同．验证了由实测数据拟合出的横向、竖向温度梯度公式是正确的．

5 结论

1）扁平混凝土箱梁截面存在明显的竖向温度梯度，大量实测数据表明，在不同截面位置处竖向温度梯度符合本文所采用的指数函数加一次函数的拟合公式．

图9 实测曲线与有限元曲线对比Fig.9 The measured curve compared w ith the FEM curve

2）扁平混凝土箱梁横向温度分布具有明显的对称性，顶板横向不同位置温差较大，且分布规律符合本文所采用的横向温度梯度拟合公式．腹板和底板位置横向温差较小，横向温度场分布均匀．

3）建立了ANSYS模型，计算无铺装层混凝土箱梁温度场分布，与现场实测数据进行对比，计算结果与实测结果吻合较好，验证了竖向、横向温度梯度公式的适用性．

4）本文结论只是针对子牙河特大桥道岔连续梁桥址区的温度场实测数据得出的结论，对于其他不同地区的温度场分布，可以根据地区现场实测，拟合适合的温度梯度公式．

[1]黄腾，李淞泉．钢箱梁温度变形特性分析及合拢状态控制[J]．公路，2002，7（7）：84-88．

[2]郝超．大跨度钢斜拉桥施工阶段非线性温度影响研究[J]．公路交通科技，2003，20（1）：63-66．

[3]曾庆响，韩大建，马海涛，等．预应力混凝土箱梁桥的温度效应分析[J]．中南大学学报（自然科学版），2010，41（6）：2360-2366．

[4]王毅．预应力混凝土连续箱梁温度作用的观测与分析研究[D]．南京：东南大学，2006．

[5]张玉平，杨宁，李传习．无铺装层钢箱梁日照温度场分析[J]．工程力学，2011，28（6）：156-162．

[6]逯彦秋，张肖宁，唐伟霞．桥面铺装层温度场的ANSYS模拟[J]．华南理工大学学报（自然科学版），2007，35（2）：59-63．

[7]周广东，丁幼亮，李爱群，等．基于长期实测数据的大跨悬索桥扁平钢箱梁温差特性研究[J]．土木工程学报，2012，45（5）：114-125．

[8]王伟，苏小卒，赵勇．非线性温差作用下混凝土结构的温度应力[J]．同济大学学报（自然科学版），2010，38（7）：986-990．

[9]吴金鑫．预应力混凝土箱梁桥温度场及温度效应实测研究[D]．杭州：浙江大学，2011．

[10]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．

[责任编辑 杨屹]

Temperature effect analysis of flat PC continuous box girder bridge without pavement

LI Zilin1，LI Changhui2，CHEN Guosheng3，ZHANG Wenjuan3

(1.School of Civil Engineering,Tianjin Chengjian University,Tianjin 300384,China;2.School of Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China;3.China Railway eighteen Bureau Group Second Engineering Co Ltd,Hebei Tangshan 064000, China)

Thermal stress is one of the main factors that affect the use of long-span bridges.Accurate thermal field distribution model is the basis for the calculation of structural thermal stress Based on field measurement data of Ziyahe continuous box girder bridge.Got variation of temperature w ith time in different places.A vertical and transverse thermal gradient model of flat PC box girder without pavement was presented.Bring out the possibility of thermal gradient model by using ANSYS.The results show that flat concrete box girder cross-section temperature distribution on the different position of axial symmetry,roof transverse temperature difference is large,web and bottom transverse temperature is smaller.The formula of exponential function and linear function are adopted to vertical tem perature gradient. As the linear function is adopted to Transverse tem perature gradient,the conclusions has a very good reference value for the sim ilar bridge of theoretical research,design and construction.

bridge engineering;flat PC box girder;sun light thermal difference effect;thermal gradient

U24

A

1007-2373(2015)06-0076-05

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.06.015

2014-11-16

天津市自然科学基金（13JCYBJC19600）；住建部科技项目（2015-K3-021）；天津市公路行业科技项目（2014-23）

李自林（1953-），男（汉族），教授，博士生导师．

数字出版日期：2015-12-17数字出版网址：http://www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20151217.1508.006.htm l