钢箱梁桥温度场有限元模拟及其敏感性分析

王宇

摘要：本文通过采用ANSYS有限元软件对钢箱梁温度场进行瞬态模拟，并适当变换大气温度、箱梁高度及结构表面的辐射吸收系数等参数的数值，并对有限元计算结果进行对比分析，以获得钢箱梁与组合板梁温度场对各参数的敏感性。

关键词：钢箱梁；温度场；有限元模拟；敏感性分析

国内对于桥梁温度场的研究早期多集中于混凝土箱梁，对于钢箱梁温度场的研究起步较晚，混凝土箱梁温度场的研究方法可对钢箱梁起到一定借鉴作用。Emerson M在1976年夏季和1979年的冬季分别对混凝土桥、组合梁桥和钢桥进行了为期15天的连续温度监测，提出桥梁的有效温度概念，且给出相关的影响因素；并通过对实测数据进行分析，提出一种利用阴面温度的变化函数来评估混凝桥、组合梁桥和钢桥的每日有效温度的计算方法，并对其精确度的局限性进行了讨论 [1-6]。东南大学雷笑对一座具有100mm沥青铺装层的预应力混凝土箱梁桥进行了为期2年的温度监测，在实测数据的基础上采用统计分析的方法对混凝土箱梁的日照温差代表值進行了分析计算[7]。华南理工大学陈家齐对湛江大桥施工过程中钢箱梁的温度分布进行监测，通过对温度监测数据进行回归分析，发现钢箱梁截面沿腹板高度方向温度分布呈非线性，并提出适用于湛江地区夏季钢箱梁的温度梯度模式[8]。

一、钢箱梁温度场有限元分析步骤

（1）选定单元类型、设置材料属性

由于钢箱梁钢板较薄，忽略钢板沿厚度方面的热传导，因此钢板选用SHELL57单元进行模拟。SHELL57为4边形4节点单元，具有平面内传热能力的三维热壳单元，不具备沿单元厚度方向上的传热能力。

（2）钢箱梁模型及网格划分

钢箱梁有限元模型网格划分单元尺寸为25mm。

（3）定义分析类型

本节所进行的钢箱梁温度场分析为瞬态分析，在分析的时间段内外界大气温度和太阳辐射强度随着时间的变化而变化，因此将分析类型定为瞬态分析。

（4）施加温度荷载

施加的温度荷载为初始温度、太阳辐射和对流荷载。

二、钢箱梁温度场敏感性分析

2.1 大气温度对钢箱梁温度分布的影响

晴天大气温度全天的温度变化具有较好的规律性，全天大气最低温度一般出现在早上6点左右，大气最高温度一般出现在下午14点半左右，因此桥梁结构的全天气温变化可采用正弦函数进行描述。

（1）大气温度加载工况

本节选用陕西省西安市2013年8月25日的气象资料进行有限元分析，全天的最高大气温度为32℃，最低大气温度为23℃ 。为研究大气温度对钢箱梁温度分布的影响，考虑三种工况：工况一为将大气温度整体升高10℃，工况二为全天大气温度为当天实际气温，工况三为全天大气温度整体降温10℃。

图1为在三种工况下，钢箱梁顶底板测点的温度对比，图中测点G1-1、G2-1为钢箱梁顶板测点，测点G1-9、G2-9为钢箱梁底板测点。从图中可以看出，工况一的温度均高于工况二的温度，且温差为10℃左右；工况二的温度均高于工况三的温度，且温差为10℃左右。三种工况全天钢箱梁的温度分布规律基本一致，在下午14：00左右三种工况温度达到最高。

2.2 钢材的辐射吸收系数对钢箱梁温度场的影响

采用ANSYS有限元软件对钢箱梁表面不同的太阳辐射吸收系数进行模拟，进而研究太阳辐射吸收系数对钢箱梁温度分布的影响。

图2为不同颜色涂装的钢箱梁顶板、底板的温度对比。从图中可以看出，不同涂装钢箱梁的温度分布规律基本一致，但黑色涂装钢箱梁温度最高，红色涂装钢箱梁的温度次之，白色涂装钢箱梁的温度最低。因此，钢箱梁的温度分布受到由涂装颜色引起的钢箱梁表面太阳辐射吸收系数的变化的影响，且随表面太阳辐射吸收系数的增大，钢箱梁的温度会出现明显的增大趋势。

因此，可以认为钢箱梁的温度分布受到表面涂装颜色引起的钢箱梁表面太阳辐射吸收系数的变化的影响，且随表面太阳辐射吸收系数的增大，钢箱梁的温度会出现明显的增大趋势；同时腹板温度梯度也随表面太阳辐射吸收系数的增大，而出现变大趋势。

三、小结

本文通过采用ANSYS有限元软件对钢箱梁温度场进行模拟，对影响钢箱梁温度场的因素进行敏感性分析，得到钢箱梁温度场分布随参数的变化的影响规律，具体结论如下：

（1）通过对比不同大气温度情况下的钢箱梁温度分布可知，大气温度的变化仅对钢箱梁极值温度有影响，而腹板温度梯度与温度的全天变化趋势并不受大气整体温度变化的影响。

（2）通过对比不同辐射吸收系数的钢箱梁温度分布，可以得出钢材表面太阳辐射吸收系数对钢箱梁温度分布影响较大，且随辐射吸收系数的增大，钢箱梁出现明显的升温趋势；同时腹板的温度梯度也会随钢材太阳辐射吸收系数的增加而出现变大的趋势。

参考文献：

[1] Emerson M. Calculation of the Distribution of Temperature in Bridges[J]. Systems Engineering Today，1973，（LR 561）：33-42.

[2] Emerson M. Temperature Difference in Bridges： Basis of Design Requirements [J]. ASCE J Struct Div，1977，（765）：39-52.

[3] Emerson M. Temperatures in Bridges during the Hot Summer of 1976[R]. TRRL Laboratory Report （Transport and Road Research Laboratory，Great Britain），1977，（783）：31-52.

[4] 陈家齐，颜全盛.湛江海湾大桥施工中钢箱梁温度分布观测与分析[A]. 第十三届全国工程建设计算机应用学术会议论文集[C]. 广州：华南理工大学出版社， 2006： 512-518.