大跨度连续刚构桥日照温度场研究★

李姗姗 朱 蕾 顾 斌 傅嘉诚 黄 铭

(江苏大学土木工程与力学学院，江苏 镇江 212013)

大跨度连续刚构桥日照温度场研究★

李姗姗 朱 蕾 顾 斌 傅嘉诚 黄 铭

(江苏大学土木工程与力学学院，江苏 镇江 212013)

通过对某特大连续刚构桥运营期的温度和气象的观测，在实测的基础上，研究了箱梁桥在日照辐射作用下的温度场及其变化规律。结果表明：日照辐射作用下，箱梁有较大的竖向温度梯度变化，当底板较厚时(墩顶)，底板与腹板存在负温差现象；一年中箱梁的梁内空气温度受大气温度的影响，随着时间的推移明显呈正弦规律变化。以上发现对同类桥梁地域温度效应的分析具有参考价值。

混凝土箱梁，日照辐射，温度场，竖向温度梯度

自然环境对箱梁桥的影响可以分为年温度效应和局部温度效应。局部温度效应指由于日照辐射和大气环境温度的剧烈变化，使混凝土箱梁的外部温度发生显著的变化(升高或降低)，而内部的温度受自然环境影响较小，基本保持原状，显著的内外温差产生了温度应力[1]。研究表明这种应力很大甚至超过桥梁活载和恒载产生的应力，是此类桥梁产生裂缝的主要原因[2]。

桥梁是公路铁路线路的重要组成部分，国内外研究表明，目前世界新建桥梁中大部分箱梁桥，据不完全统计箱型截面梁桥和其他预应力空心梁桥占到30%～35%[3]。由于温度应力而造成的桥梁损坏已经成为这类桥梁的主要病害，如我国的通惠河混凝土连续箱梁桥、湖北光华大桥、和台儿庄大桥的箱梁均出现了严重裂缝[4]，所以对于这类桥梁的研究具有非常重要的意义。Lee(2012)[5]使用数值模拟和试验方法对混凝土工字形梁的温度场进行了研究，发现规范对工字形梁温度梯度的规定并不合理，为此提出了适合工字梁的竖向和横向温度梯度模式；Chai(2013)[6]对美国加利福尼亚州北部的一座轻骨料钢筋混凝土箱梁桥的温度分布进行了观测，并与美国规范进行了对比，结果表明，在顶板以下0.4 m范围内，温度梯度曲线与规范的规定较为相似，而0.4 m以下则不尽相同；Sallal(2016)[7]在伊拉克瓦西特省大学的校园内，对混凝土箱梁的温度场进行了试验研究，对日照辐射作用下箱梁顶底板温差进行了统计分析研究。我国宋志文(2010)[8]通过高性能混凝土导热系数进行试验研究，得出不同参数对高性能混凝土导热系数的影响规律；吴金鑫(2011)[9]对浙江淳安城中湖南路2号桥的温度场进行了观测，分析了各个季节日照辐射条件下混凝土箱梁竖向温度梯度分布变化的情况；单巍巍(2014)[10]对一座曲线连续箱梁桥的日照温度场进行观测，并根据桥位和桥梁走向，构造了二维温度梯度模式；孙维刚(2015)[11]对甘肃省永古高速公路柳条河大桥的日照温度场进行了现场温度观测，并对箱梁截面温度时程曲线进行了拟合；顾颖(2016)[12]年基于ASHRAE晴空模型，运用ANSYS软件模拟太阳辐射作用下某混凝土箱梁的温度场深入研究了太阳辐射作用下混凝土箱梁温度场的三维分布。国内外学者已经对箱梁温度场进行了很多研究，我国公路设计规范也对此做出明确的规定。但由于我国地域辽阔，气候多样，东西差异较大，桥梁走向各异，仍需有进一步的探讨。本文通过2009年一年的实测数据对长江下游某大跨度箱梁日照温度场的变化规律进行研究，为同一地域此类桥梁的设计和温度效应的分析提供参考。

1 混凝土箱梁温度场的观测

观测桥梁为长江下游某大跨度预应力连续刚构桥，跨度548 m，桥面铺装11 cm厚沥青混凝土。为了全面考虑桥梁不同纵向位置，同一截面不同高度的温度分布情况，在上、下游分别选取2个箱梁断面作为温度观测面，墩顶温度测点分布图如图1所示，同时为了研究环境温度改变对箱梁内空气温度的影响规律，在箱梁外部和内部分别布置了大气温度测点，温度自动采集持续2009年一年时间，每隔1 h记录一次数据。

2 混凝土箱梁温度场的分析

2.1环境温度变化

箱梁内空气温度受大气温度的影响，为了研究其影响规律，本文分析的数据取自于2009年一年，0点为2009年1月1日0:00。从全年来看，墩顶箱梁内部空气温度和环境温度的观测数据结果如图2所示。从图2中可以看出，梁内空气温度受大气温度的影响，变化趋势与其相同，都近似呈正弦变化。梁内空气温度整体上高于环境温度，但在某些局部时间区域内环境温度出现大幅度的升高而高于梁内空气温度。从整体来看梁内空气温度的变化幅度远小于大气温度，大气温度在观测范围内的温度变化幅度-3 ℃～35.8 ℃，日最大温差15.7 ℃；箱梁内空气温度变化范围在观测时间一年中1.62 ℃～37 ℃，日最大温差4.7 ℃。

2.2日照辐射下箱梁温度的变化

2.2.1箱梁顶板温度

为了反映日照辐射下箱梁内部的不利温度变化，选取夏季晴朗温度较高的3 d(7月17日～7月19日)实测数据进行分析。图3为墩顶箱梁顶板温度随着深度加深的变化规律(温度取值为同一深度所有测点对应位置混凝土温度平均值)。在距顶板0.33 m处，由于有沥青混凝土的保护，温度虽仍呈正弦趋势变化，但变化幅度相对于大气温度变化幅度7.02 ℃已减小很多，大概为2.6 ℃；0.66 m处受大气温度的影响已经很小，变化幅度为1 ℃；0.99 m处的温度变化幅度只有0.6 ℃。由图3可以清楚看出距表面越远受环境大气温度的影响越小，内部温度基本保持原状。

2.2.2箱梁腹板温度

图4为墩顶箱梁腹板横向温度比较。由图4中可知外侧腹板温度较高，温度大致成正弦规律变化，内侧温度由于全天不受日照作用，受日照辐射的影响较小，温度基本不变，变化幅度仅为0.5 ℃左右。由于墩顶腹板混凝土厚度达到1 m，在日照辐射作用下存在明显的横向温度梯度，1号测点处与最外侧受大气温度影响较大而变化幅度最大，随着深度的增加，变化幅度逐渐减小，横向最大温差为4.5 ℃。

2.2.3箱梁底板温度

箱梁底板全天不受日照辐射作用，故太阳作用对底板温度的影响很小，变化幅度较小。墩顶箱梁底板温度如图5所示，由于墩顶梁底板较厚，3个测点埋深较深(由底板外表面至内算起)，故一天中混凝土温度波动很小。

2.3日照辐射作用下箱梁的竖向温度梯度

选取2009年一年中温度较高，天气晴朗属于典型工况的一天(7月17日)为例，进行分析，这一天的墩顶竖向温度梯度图如图6所示。由图6可知，竖向温度梯度在20:00左右达到最大值，在距顶板0.5 m深处与腹板有最大温差3.5 ℃，箱梁底板处由于基本全天处于阴影位置，受日照辐射作用小，并且江水的温度低，在与底板进行热交换时也降低了底板的温度，所以底板温度在一天之中也基本都低于腹板温度。顶板由于有11 cm厚沥青混凝土铺装层的保护，温度在夜间并没有出现大幅度降低，所以一天之中顶板的温度基本都高于腹板温度。故对于高度较大的底板存在的负温差现象也应给予足够的重视。

2.4日照辐射作用下箱梁的横向温度梯度

图7为墩顶腹板横向温度梯度，上游西侧腹板在上午时并未受到充分的日照，所以在9：00时腹板最外侧混凝土温度并没有升高，下午时，西侧腹板陆续受到太阳辐射而温度升高，并最终达到最大值34.8 ℃。随着距腹板外侧距离的不断加大，温度逐渐降低，最大温差达到3.6 ℃。墩顶箱梁内侧由于基本全天不受到太阳辐射温度更低，但仍存在较大的横向温差。

3 结语

1)一年内，箱梁的梁内空气温度由于受到大气温度的影响而呈正弦规律变化，且梁内空气温度基本都高于大气温度。2)箱梁顶板内随着深度的增加，温度变化幅度逐渐减小，距顶板表面0.5 m内测点处混凝土温度随时间仍呈正弦规律变化，距箱梁顶板0.9 m左右处测点温度则基本保持不变，与大气温度之差最大为7.02 ℃，最小只有0.6 ℃。3)箱梁腹板由于所处位置的影响，外侧腹板温度高于内侧腹板温度。4)箱梁的底板由于全天不受到日照辐射作用，受大气温度的影响很小。底板较厚时在夜间会出现负温差现象，箱梁沿截面高度有着较大的非线性温度梯度，应给予重视。

[1] 雷 笑.基于长期观测的混凝土箱梁温度作用与效应研究[D].南京：东南大学，2010.

[2] 葛俊颖.预应力混凝土箱梁日照温差效应分析[J].中国铁路，2010(1)：52-54.

[3] 郭志远.预应力混凝土箱梁桥的裂缝研究[D].长沙：长沙理工大学，2005.

[4] 陈 波,郑 瑾,王建平.桥梁结构温度效应研究进展[J].武汉理工大学学报,2010(24):79-83.

[5] Lee J H.Investigation of Extreme Environmental Conditions and Design Thermal Gradients during Construction for Prestressed Concrete Bridge Girders[J].Journal of bridge engineering,2012,17(3):547-556.

[6] Chai Y H.Temperature gradients in lightweight aggregate concrete box-girder bridges[J].Ies Journal Part A Civil & Structural Engineering,2013,6(3):199-210.

[7] Abid S R,Taysi N,Ozakca M.Experimental analysis of temperature gradients in concrete box-girders[J].Construction and Building Materials,2016:523-532.

[8] 宋志文.高性能混凝土箱梁日照温度场与温度效应研究[D].上海：同济大学,2010.

[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.

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[11] 孙维刚,陈永瑞,刘来君,等.寒冷地区混凝土箱梁温度场研究[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2015(7):962-967.

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[15] 雷 笑，叶见曙，王 毅,等.基于长期观测的混凝土箱梁温度与应变分析[J].江苏大学学报(自然科学版),2010,31(2):230-234,239.

Studyonthetemperaturefieldofalongspancontinuousrigidframebridge★

LiShanshanZhuLeiGuBinFuJiachengHuangMing

(CollegeofCivilEngineeringandMechanics,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China)

According to the observation on temperature of a long continuous rigid frame bridge during operation period, the temperature field and its variation laws of concrete box girder under solar radiation were discussed based on measured data. Results show that the measured temperature gradient of box girder is very big under solar radiation and the temperature difference between floor and web can be negative when the thickness of floor is rather thick, for example the pier-top. The air temperature in the box girder changed sinusoidally during a year influenced by atmospheric temperature. These discoveries are of some value for the temperature effect analysis of the bridge that located at other similar area.

concrete box girder, solar radiation, temperature field, vertical temperature gradient

1009-6825(2017)32-0138-03

2017-09-07 ★:国家自然科学基金资助项目(51641804)；江苏省自然科学基金资助项目(BK20160536)；江苏大学高级人才科研启动基金资助项目(15JDG170)；江苏省大学生创新训练省级重点项目(5551480007/5551480009)

李姗姗(1995- )，女，在读本科生； 朱 蕾(1995- )，男，在读本科生； 顾 斌(1986- )，男，博士，讲师

U448.23

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