夏季高原地区混凝土箱梁温度效应分析研究

王亚超,刘 铸,秦梦杰

(湖南科技大学 土木工程学院，湖南 湘潭，411201)

在桥梁建设过程中,工程人员发现裂缝产生的原因不仅是荷载作用[1],温度作用引起的裂缝也越来越不可忽视,而箱梁温度变化又受自然环境影响较大[2]。高原地区海拔较高，大气透明度高，太阳辐射强烈，早晚温差较大，而且高山峡谷众多，地理、地质情况复杂。目前我国对高寒地区混凝土箱梁温度场的研究较少，现行的国内和世界各国的规范都不能准确反映高寒地区箱梁的温度分布特点和温差应力情况，都是不限地域的使用同一温度梯度模式[3]。因此需要对高原地区箱梁温度效应进行研究，以为桥梁建设提供合理建议，以促进相关温度效应理论的完善。文中通过对四川省甘孜州一座预应力混凝土高墩大跨刚构桥箱梁温度现场实测来研究温度梯度模式，得出高寒地区箱梁对温度作用的反应。接着以有限元软件ANSYS为平台，依据现场实测得到的箱梁温度场的相关参数数据，利用其间接耦合功能对高寒地区箱梁温度场进行仿真分析，对保证桥梁的施工监控质量及进一步完善此类桥梁的设计理论提供指导。

1 数据采集

1.1 工程概况

普巴绒大桥是两河口水电站库区复建县道X037线普巴绒至溪工沟段上跨曲入沟的一座单幅公路桥，东西走向，桥梁单幅宽9.0m，桥梁结构体系为单箱单室预应力混凝土连续刚构桥。主桥上部结构为100m+180m+100m，由一个单箱单室箱形断面组成。

1.2 试验方法

图1 普巴绒特大桥2#墩5号块根部温度测点布置Fig.1 The Pubarong Bridge 2# pier No.5 block root temperature measuring point arrangement

我国桥梁设计常以某时刻最大温度梯度为设计控制荷载。本次测试时间为2017年7月15日，全天晴朗少风，从早晨8点至19点，以一个小时为间隔测试。主梁截面上的温度分布情况，可通过在箱梁上布置温度观测点进行观测。采用箱内布置温度传感器和箱外用红外线测温仪的方式测混凝土箱梁的温度梯度，箱梁内外空气温度用温湿度计测得。日照辐射强度测量采用太阳能辐射仪测量，本次测试选择普巴绒特大桥2#墩5#梁段端部截面进行测试。箱内测点布置如图1。

1.3 试验数据分析

因为普巴绒特大桥是东西走向，南侧腹板测点温度变化与北侧腹板相似，因此选择南侧腹板进行箱梁竖向温度梯度分析，选取顶板中央竖向三个测点3,4,5，腹板测点2,9,17和底板测点14,15,16，对这些测点实测温度数据进行温度分析[4]，如下图2，图3。

图2 普巴绒南侧顶板和腹板竖向测点温度变化曲线Fig.2 The pubarong temperature curves of the vertical measuring points in the south web

图3 普巴绒底板竖向测点温度变化曲线Fig.3 The pubarong temperature curves of the vertical measuring points in the bottom board

由上图可知普巴绒特大桥顶板上缘测点温度变化受环境气温影响，并且白天长时间接受太阳辐射，温度变化比下缘测点温度变化快，升温迅速，主要是由于混凝土具有热传导滞后性。顶板竖向最大温差发生在16点，为8.3℃，腹板竖向温差均在17点达到最大，为2.5℃,除靠近顶板表面的测点温度变化呈正弦曲线变化外，腹板其余内部测点温度均比较稳定，变化不大。因为底板全天未接受日照而且底板较厚，所以底板全天温度变化较小，最大温差不超过1.5℃，但因为夏季环境温度过高，底板与空气会发生对流和热辐射换热，靠近外表面温度测点温度高些。

2 ANSYS建模

ANSYS热分析包括热传导、热对流及热辐射3种热传递方式[5]，另外Fluent提供一系列应用广泛的对流、热传导及辐射模型，两者不仅可以分析稳态温度场还可以分析非线性的瞬态温度场[6]。箱梁试验所得混凝土密度为2500kg/m3，比热c= 968J/(kg·k)。导热系数取3.2 W/(m·k)。综合换热系数为16.57W/(m·k)。采用ANSYS中的APDL热分析软件对温度场进行建模分析。因为对流荷载和热流密度在ANSYS中只能施加一种[7]，而且箱梁主要同大气发生热对流交换，所以文中在对箱梁截面进行仿真分析时把热辐射用热对流等效，太阳辐射则换算得到综合气温。模型把太阳辐射强度、热辐射和对流三种荷载，用对流来代替施加。采用综合换热系数、综合气温用于温度场的求解计算。箱梁温度场是瞬态的、不稳定的，时刻都在变化，因此仿真分析时需要使用多载荷步，文中把12小时内施加的温度载荷分为14个载荷步，荷载以Array数组定义然后转化为Table数组，所分析的时间为从上午7点至下午19点。

3 分析结果

ANSYS关键时刻温度分布云图如下图4、5、6所示：

图4 箱梁8:00时ANSYS温度场Fig.4 The ANSYS temperature fieldat 8:00 in box girder

图5 箱梁14:00时ANSYS温度场Fig.5 The ANSYS temperature fieldat 14:00 in box girder

图6 箱梁18:00时ANSYS温度场Fig.6 The ANSYS temperature field at 18:00 in box girder

采用ANSYS的APDL热分析功能分析箱梁温度场结果与现场实测数据相比偏小[8]，经仿真模拟发现箱梁顶板的温度变化程度较大，腹板只有靠近表面较浅深度范围内有变化，内部温度场则比较稳定。底板全天温度比较稳定，总体仿真分析变化形式与现场实测结果比较接近。

计算结果如图7所示：

图7 箱梁竖向温差实测与理论比较Fig.7 Comparison of vertical temperature difference between box girder and theory

文中采用最小二乘法拟合得竖向温差公式[9]如下，箱梁上部拟合曲线为

Ty=T0e-ay

(1)

式中T0为竖向最大温差,℃；Ty为测点温差值,℃；y为测点到梁顶距离,m；a为系数。

为确定T0和a，将对公式(1)两边取自然对数，

则有

lnTy=lnT0-ay

(2)

令lnTy为Z,lnT0为b，根据最小二乘法使计算值与实测值的误差平方和为最小的原则，即可以求出T0和a

设实测数据共有i=1,2,…,n个，并令ln(Ty)i=xi，则拟合误差的平方和为

(3)

根据多元函数求极值的法则，对两个变量分别求微分得

(4)

将所测的数据代入式(4)即可求出a，b来，并可以求出T0。

根据以往研究经验箱梁顶板温差曲线一般符合指数形式[10]，底板经实测和有限元仿真模拟计算发现有很小的温差，因为底板不受太阳照射且较厚但外表面却与空气发生对流和热辐射换热。由实测数据可知.底板最大温差出现在下午十四点，为1.3℃，考虑最外侧测点温度比底板外表面温度低，选取温差值为2℃。

文中拟合温差曲线如图8所示,温差在梁顶以下的8.3m范围内服从指数分布，参考新西兰规范竖向温差考虑底板温差。底部向上的900mm内采用线性差值，拟合所得竖向温差公式为Ty=15.3e-3y，这样我们在确定高原地区箱梁竖向温差时考虑底板温差效应的温差分布形式是合理的。

图8 箱梁竖向温差梯度曲线Fig.8 Vertical temperature gradient curve of box girder

4 结论

1)文中采用现场在箱内布置温度传感器的方法对箱梁内部温度分布进行十二小时观测，发现靠近箱梁外表面测点温度变化与环境温度变化走势相一致，近似为正弦函数分布曲线，箱内温度升高较慢，体现了混凝土传热具有滞后性。

2)提出了适合高寒地区箱梁截面竖向温度梯度建议曲线，按照指数形式变化，底部最大温差为1.3℃,按照线性变化，经最小二乘法结合实测数据与有限元仿真数据拟合箱梁顶板在梁顶以下的8.3m范围内竖向温差公式为Ty=15.3e-3y，该曲线与现行铁路规范存在一定差别，考虑了底板的线性温差，可见不同地域桥梁，温度梯度模式是不同的。

3)文中ANSYS仿真模拟与实测数据相吻合，说明高寒地区箱梁温度场可以采用有限元软件进行仿真分析，且分析效果较好。