大型钢管混凝土拱桥温度梯度试验研究

周大为，邓年春, 2，石拓，李颢旭

大型钢管混凝土拱桥温度梯度试验研究

周大为1，邓年春1, 2，石拓1，李颢旭1

(1. 广西大学 土木建筑工程学院，广西 南宁 530004；2. 广西防灾减灾与工程安全重点实验室，广西 南宁 530004)

以川藏铁路拉林段藏木雅鲁藏布江特大桥为背景，在桥址进行与实桥同管径的大尺寸试验拱段长期连续温度场监测试验，并在整理分析前人大量研究成果的基础上对青藏高原地区钢管混凝土拱桥温度梯度模式进行研究。研究结果表明：圆钢管截面沿直径方向温度随时间变化表现出较高的规律性，具有明显的周期性时程特征及不均匀空间特征；钢管混凝土温度梯度模式均可按规范规定拟合为三段式折线图；《公路钢管混凝土拱桥设计规范》中对钢管混凝土拱桥温度梯度模式的规定较试验所得温度梯度差别较大；在上述研究结果的基础上提出“参考温度梯度”概念并提出适合青藏高原地区的钢管混凝土拱桥圆截面不同管径的竖向温度梯度计算公式。

高原地区；钢管混凝土拱桥；钢管混凝土；温度场；温度梯度；参考温度梯度

钢管混凝土拱桥因其优异的结构性能在我国得到迅速发展，随着建设需要，其跨径不断得到突破[1]。据统计，截止2015年，国内已建成钢管混凝土拱桥400多座，其中54座跨径超过200 m，11座跨径超过300 m，4座跨径超过400 m[2−3]，合江一桥的建成标志着钢管混凝土拱桥突破500 m跨径关口，目前在建的世界最大拱桥平南三桥跨径达560 m，在建的最大跨钢管混凝土铁路桥拉林铁路雅鲁藏布江大桥跨径达430 m。钢管混凝土拱桥常年暴露于自然环境之中，不可避免受到外界环境的影响产生温度场，当变形受到结构内、外约束时就会产生应力，必然会对桥梁结构造成一些不利影响。桥梁温度场有着典型的周期性时程特征和不均匀空间特征，主要受结构形式、气候和地理环境 3 类因素的影响，存在明显的桥型间和地域性差异[4]。在太阳辐射强度较为强烈的地区，由太阳辐射引起的桥梁温度效应甚至可超过恒载和活载的影响，成为桥梁首要控制作用，对桥梁耐久性及长期安全工作造成很大影响[5−6]。关于钢管混凝土拱桥的温度问题已经得到了很多研究人员的重视并已开展了一系列相关研究，但是由于钢管混凝土拱桥结构形式，拱肋截面形式多样，桥址自然环境差异大等多重影响因素，使得针对其研究尚不成熟[7]，多只针对某一具体情况分析，难以进行大范围推广。本文针对青藏高原地区钢管混凝土拱桥由于日照引起的截面非线性温度分布进行研究，以拉林铁路雅鲁藏布江大桥为研究对象，在进行桥址进行大型温度监测试验的基础上结合前人研究成果，了解钢管混凝土截面温度梯度规律，最后提出适合青藏高原地区不同管径的圆截面温度梯度模式。

1 研究对象

1.1 工程概况

川藏铁路拉林线雅鲁藏布江大桥位于西藏山南地区拉绥乡雅鲁藏布江河畔，在规划的梯级电站街需和藏木之间，距在建的藏木水电站大坝上游约1.2 km。桥址位于新建山南至林芝省道(S306)边上，新省道目前未通车，距老省道约7 km，距加查县城约17 km，距拉萨约325 km，对外交通方便。川藏铁路拉林段藏木雅鲁藏布江特大桥采用一跨过江方案，主跨为430 m的中承式钢管混凝土拱桥，全桥主梁为一联5跨的预应力混凝土连续梁，孔跨布置为(39.6+32) m连续梁+430 m中承式钢管混凝土拱桥+(28+34.6) m’连续梁，桥梁总长525.5 m。桥梁立面图见图1。其拱肋截面采用四肢桁式和横向哑铃桁式相结合的截面形式。上弦拱脚1.5节段和下弦拱脚3.5节段采用直径1 800 mm钢管，其余拱肋节段采用直径1 600 mm钢管。拱肋钢管均采用Q420qENH，管内灌注C60无收缩混凝土，腹杆和横撑以及上下平联均采用Q345qDNH，吊杆采用抗拉强度为1 860 MPa的钢绞线制成，主梁连续梁梁部采用C55预应力钢筋混凝土，边墩采用C40钢筋混凝土。

单位：m

1.2 试验概况

为确定钢管混凝土拱桥在外界自然条件下的内部温度分布情况及规律，为在青藏高原地区设计此类桥梁提供准确的温度效应计算参数，对拉林铁路雅鲁藏布江大桥进行足尺寸试验拱温度试验。试验选址于西藏山南地区雅鲁藏布江边，靠近拉林铁路雅鲁藏布江大桥桥址处。以实桥拱顶至拱脚75 m节段建立试验模型，试验现场见图2。试验拱由与雅鲁藏布江大桥相同管径1 600 mm，壁厚20 mm的钢管制作而成。试验拱由5组中间设置了横撑的立柱进行支撑。以靠近拱顶位置作为试验测试截面，其中温度传感器采用热敏电阻式温度传感器，采集精度达到0.1 ℃。采集仪器选用基康无线温度采集系统。采集频率设置为10 min/次，测点布置见图3。

图2 试验现场图

图3 测点布置图

2 试验结果分析

2.1 截面温度随时间变化规律分析

由图4可知，管内沿纵横向共布置13个测点以研究管内混凝土在一天之中不同时刻不同位置的温度分布及变化情况，并设置14号大气温度测点同时监测大气温度情况。纵向8，9，10和4号测点，横向7，6，5，4号及14号大气温度测点2018年8月1日至8月16日连续多天温度变化情况见图4。

从图中可以看到，管内混凝土各测点温度在空间上沿径向呈现非线性分布，时间上是瞬时变化的，在考虑日照情况的钢管混凝土结构截面温度分布呈瞬时非线性特点。管内混凝土各测点温度及大气温度变化呈现以24 h为周期的周期性变化规律，其中靠近外侧测点，温度变化周期接近大气温度变化，且峰值变化较大；越向内，同一天各测点温度峰值右移，越靠近内部右移越明显，内部混凝土温度变化在时间上表现出很高的迟滞性，且越靠近混凝土内部温度峰值变化越小。

(a) 竖向；(b) 横向

(a) 竖向；(b) 横向

图5为8月1日上午11时至8月3日下午11时竖向及横向部分测点温度变化情况。从图中可以看到，白天各测点温度表现出内低外高的分布状态，夜间呈现内高外低的分布状态。9号测点与10号测点及4号测点与5号测点的温度在一天中截面温差极值时刻基本相等，此时刻10号测点与核心4号测点温差不到1 ℃。该现象表明截面非线性温度分布变化在8号至9号及7号至6号测点之间较为剧烈，在靠近核心处混凝土温度变化幅度较小。主要原因是由于混凝土的导热性能较差使得内部混凝土温度变化较为迟滞且受外部环境影响较小。图5(b)表明，对称位置测点温度变化趋势基本一致，出现温度极值时刻也基本相同；由于钢材导热性能较好，使得测点温度变化幅值在向阳面及背阴面均表现为外侧大于内侧，向阳及背阴面温度沿径向变化趋势相近，表现为越向内温度变化约迟滞；对称位置测点，向阳面温度大于背阴面温度，平均约大0.5 ℃，主要有2方面原因：一方面是由于日照作用的影响，另一方面是由于核心混凝土导热系数较差，温度变化较为滞后。

2.2 截面最不利温度分布

经过近一年的数据采集获得大量的温度数据。通过历史天气分析得知，桥址加查县一年中冬季最冷发生在1月份，夏季最热发生在8月份。为分析截面最不利温差，选取1月和8月中数据较好的几天进行分析，具体日期选取及当日天气情况见表1。通过对温度数据统计分析得知，试验拱钢管混凝土截面夏季最不利温差一般出现在一天中的下午16～17时，冬季截面最不利温差一般出现在下午15～16时。其中夏季和冬季典型日期中最不利温度分布见图6。图6中纵坐标表示各测点沿直径方向的位置，其中纵向温度分布中“0”表示拱肋截面下缘，“D”表示拱肋截面最上缘；横坐标表示沿径向不同测点相应的温度数值。

表1 典型日期天气情况

(a) 夏季竖向温度分布；(b) 冬季竖向温度分布

从图中可以看到，温度沿纵向最不利温度分布大致呈现出3段折线式分布模式和规范规定温度梯度模式相同。由截面边缘−核心混凝土−截面边缘包括降温段、平缓段和升温段，其中1主要影响深度=2主要影响深度=0.25 m小于规范/4=0.4 m。从上述数据中按照不同季节为参考分别提取冬季和夏季沿竖向直径最不利温度分布，见图7。由于青藏高原地区空气稀薄桥址处山南地区海拔达3 700 m，太阳辐射较其他地区尤为强烈，且截面温度分布受日照与气温影响显著。全年中，由于日地距离及太阳入射角变化，使得夏季太阳辐射在全年中最为强烈，冬季昼夜温差较夏季大约5 ℃。当夏季钢管混凝土拱肋受日照作用时，截面上缘受太阳辐射影响最为显著，由于混凝土材料导热性能较差，实验结果表明，截面最大温差即截面最不利温度分布发生在全年太阳辐射最为强烈的夏季，按规范采用3段式拟合，其温度梯度沿纵向分布情况见图8和表2。其中夏季温差极值1达16 ℃，2达10 ℃，大于规范规定的1=12 ℃，2=6 ℃。桥址处夏季太阳辐射较冬季强烈，冬季日温差较夏季大，由图7可知，截面温度分布中日照影响更为显著。

图7 不同季节温度梯度

图8 温度梯度模式(3段折线式)

表2 试验拱温度梯度参数(D=1.6 m)

3 青藏高原地区温度梯度分析

关于钢管混凝土结构考虑日照影响的截面非线性温度分布问题已经得到了很多研究人员的重视，并已开展了一系列相关研究。主要从构件试验，实桥分析和有限元数值模拟计算分析3方面进行分析研究，以此探讨钢管混凝土拱桥在日照作用下截面非线性温度分布规律。

范丙臣等[8−13]进行了钢管混凝土构件日照温度长期观测试验，通过试验获得的大量数据分析了在日照作用下钢管混凝土截面上不同位置的温度分布及变化规律；陈可[14]依托金马河大桥进行了实桥拱肋截面温度场测试，获得了宝贵的实桥环境下拱肋截面的温度分布情况，并按实测温度数值计算出适合该桥的沿竖向直径温度梯度分布模式；彭友松等[15−17]对考虑日照的钢管混凝土截面温度场的有限元模拟的模型建立及边界条件的施加和各参数选取进行了研究，通过和实测数据对比分析，验证了有限元软件对日照作用下钢管混凝土截面温度分布模拟的可行性。通过对上述研究所得大量研究成果的统计分析，1，2影响深度大致分布于0.2~0.275 m之间，影响深度的取值由于测点布置的问题存在些许差异，本试验计算所得0.25 m同样符合这一区间，见表3。

参考《公路钢管混凝土拱桥设计规范》[18]中规定1，2影响深度相等，可认为在截面温度梯度取值中，1，2影响深度取0.25 m是合适的，此结论与规范所规定取/4有所差异。汪鹤根据茅草街大桥实桥环境对其钢管混凝土拱肋考虑日照温度作用的截面温度场进行有限元分析计算，并对钢管混凝土拱桥参数敏感性进行了分析。在针对钢管混凝土拱桥日照温度荷载参数敏感性分析中，分别取管径为1.0，1.2和1.4 m的钢管混凝土模型进行日照温度场分析[17]。相同日照及其他外部环境下，钢管管径与截面最大温差1呈正相关，2受管径影响较小，其中管径每升高0.2 m，温差1约升高1 ℃[9, 16−17]。

本文提出“参考温度梯度”这一概念，即在分析某一地区不同管径的钢管混凝土温度梯度时，可以以该地区已通过实测或计算所得某管径钢管混凝土温度梯度为参考，依据管径每变化0.2 m温差1约变化1 ℃，且1，2主要影响深度取0.25 m，进行不同管径圆截面钢管混凝土温度梯度的计算。

表3 日照温度分布实验整理

西藏主要划分为拉萨地区、昌都地区、山南地区(桥址)、日喀则地区、那曲地区、阿里地区以及林芝地区，经查询各地区多年各月份天气情况并对比分析，各地区各月份温度差异较小。其中山南地区海拔约3 700 m，空气稀薄，太阳辐射较其他强烈，故认为以山南地区可以大体反映青藏高原地区的钢管混凝土拱桥拱肋截面不利温差分布情况。

综上，以试验拱与其对应1.6 m管径所得温度梯度为青藏高原地区“参考温度梯度”并结合规 范[18]，得到该地区温度梯度计算模型，见图9和 表4。

图9 温度梯度模式(3段折线式)

表4 温度梯度计算参数

4 结论

1) 在日照作用下管内混凝土温度分布表现出明显的周期性时程特征及不均匀空间特征，各测点温度在以天为时间尺度上表现出接近正弦曲线的周期性分布特性。

2) 通过对温度数据统计分析得知，试验拱钢管混凝土截面夏季最不利温差一般出现在一天中的16～17时，冬季截面最不利温差一般出现在15～16时，较中东部沿海地区相关桥梁研究结果晚约 2 h。

3) 试验结果表明，在西藏地区，钢管混凝土拱桥截面温度梯度可采用规范中所采用3段式折线进行表述。其1，2影响深度约为0.25 m，较按规范计算值0.4 m小，夏季最不利温差1达16 ℃，较规范值12 ℃大，2亦如此。相较于气温对截面温度分布的影响，太阳辐射对其影响更为显著。

4) 根据试验结果并结合前人研究成果提出“参考温度梯度”概念，可界定青藏高原地区1和2影响深度取0.25 m作为参数进行分析计算；管径每变化0.2 m温差极值1变化约1 ℃。以拉林藏木河大桥足尺寸试验拱试验成果所得温度梯度为青藏高原地区“参考温度梯度”得到适合青藏高原地区的钢管混凝土拱桥温度梯度计算公式。

[1] 高卫卫.大跨度钢管混凝土拱桥水化热的试验与数值分析[J]. 铁道建筑, 2016(8): 35−38. GAO Weiwei. Experiment and numerical analysis on hydration heat of long-span concrete-filled steel tube arch bridge[J]. Railway Architecture, 2016(8): 35−38.

[2] 郑皆连, 王建军. 中国钢管混凝土拱桥[J]. 工程, 2018, 4(1): 306−331. ZHENG Jielian, Wang Jianjun. CFST arch bridges in China[J]. Engineering, 2018, 4(1): 306−331.

[3] 郑皆连. 我国大跨径混凝土拱桥的发展新趋势[J]. 重庆交通大学学报(自然科学版), 2016, 35(增1): 8−11. ZHENG Jielian. Development trend of longspan concrete arch bridges in China[J]. Journal of Chongqing Jiaotong University (Natural Science Edition), 2016, 35(Suppl 1): 8−11.

[4] 刘永健, 刘江, 张宁. 桥梁结构日照温度作用研究综述[J]. 土木工程学报, 2019, 52(5): 59−78. LIU Yongjian, LIU Jiang, ZHANG Ning. A review of studies on the effects of insolation temperature on bridge structures[J]. Chinese Journal of Civil Engineering, 2019, 52(5): 59−78.

[5] Bruce Hunt, Nigel Cooke. Thermal calculations for bridge design[J]. Journal of the Structural Division, 1975: 1763−1781.

[6] Mamdouth M E, Amine G. Temperature variations in concrete bridges[J]. Journal of Structural Engineering, ASCE, 1983(10): 2355−2374.

[7] 陈宝春, 刘振宇. 钢管混凝土拱桥温度问题研究综述[J]. 福州大学学报(自然科学版), 2009, 37(3): 412−418. CHEN Baochun, LIU Zhenyu. Research review on temperature of concrete-filled steel tube arch bridge[J]. Journal of Fuzhou University (Natural Science Edition), 2009, 37(3): 412−418.

[8] 范丙臣. 中承式钢管混凝上拱桥的温度评价及试验研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2001. FAN Bingchen. Temperature evaluation and experimental study on CFST arch bridge[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2001.

[9] 王璐. 钢管混凝土结构温度影响试验研究[D]. 重庆: 重庆交通大学, 2006. WANG Lu. Experimental study on temperature influence of CFST structure[D]. Chongqing: Chongqing Jiaotong University, 2006.

[10] 陈宝春, 刘振宇. 日照作用下钢管混凝土构件温度场实测分析[J]. 公路交通科技, 2008(12): 117−122. CHEN Baochun, LIU Zhenyu. Measurement analysis of temperature field of concrete filled steel tube members under the action of sunlight[J]. Highway Traffic Science and Technology, 2008(12): 117−122.

[11] 刘振宇. 钢管混凝土拱肋截面温度场分析[D]. 福州: 福州大学, 2006. LIU Zhenyu. Study on temperature field of CFST arch rib section[D]. Fuzhou: Fuzhou University, 2006.

[12] 闫雯. 钢管混凝土拱肋截面温度场及温度效应分析[D].西安: 长安大学, 2008. YAN Wen. Analysis on temperature field and temperature effect of CFST arch rib section[D]. Xi’an: Chang’an University, 2008.

[13] 张后举. 中承式钢管混凝土拱桥温度场及温度效应分析[D]. 西安: 长安大学, 2009. ZHANG Houju. Analysis of temperature field and temperature effect of half-through CFST arch bridge[D]. Xi’an: Chang’an University, 2009.

[14] 陈可. 钢管混凝土拱桥温度场及徐变效应研究[D].成都: 西南交通大学. CHEN Ke. Study on temperature effect and creep effect of CFST arch bridge[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University.

[15] 彭友松, 强士中, 刘悦臣. 钢管混凝土圆管拱肋温度分布研究[J]. 桥梁建设, 2006(6): 18−20, 24. PENG Yousong, QIANG Shizhong, LIU Yuechen. Study on sunshine temperature distribution of circular arch rib of CFST[J]. Bridge Construction, 2006(6): 18−20, 24.

[16] 孙国富. 大跨度钢管混凝土拱桥日照温度效应理论及应用研究[D]. 济南: 山东大学, 2010. SUN Guofu. Sunshine temperature effect theory and application research on long-span CFST arch bridge[D]. Jinan: Shandong University, 2010.

[17] 汪鹤. 钢管混凝土拱桥日照温度场及效应研究[D]. 长沙: 中南大学, 2013. WANG He. Study on sunshine temperature field and effect of CFST arch bridge[D]. Changsha: Central South University, 2013.

[18] JTG/td62−06−2015, 公路钢管混凝土拱桥设计规范[S]. JTG/d62−06−2015, Highway CFST arch bridge design specification[S].

[19] 何燕, 丁曼, 张千. 日照作用线钢管混凝土构件截面温度场的实验研究[J]. 青岛科技大学学报(自然科学版), 2012, 33(3): 307−311. HE Yan, DING Man, ZHANG Qiang. Study on temperature field of CFST member under sunshine[J]. Journal of Qingdao University of Science and Technology, 2012, 33(3): 307−311.

A large-scale experimental study on temperature gradient of concrete-filled steel tube arch bridge

ZHOU Dawei1, DENG Nianchun1, 2, SHI Tuo1, LI Haoxu1

(1. College of Civil Engineering and Architecture, Guangxi University, Nanning 530004, China;2. Guangxi Key Laboratory of Disaster Prevention and Structural Safety, Nanning 530004, China)

The temperature gradient model of concrete-filled steel tube arch bridge in Qinghai-Tibet Plateau was studied based on the long-term and continuous temperature field monitoring test of the large-scale experimental arch section with the same pipe diameter as the actual bridge site and the analysis of a large number of previous research results. The Zangmu Yarlung Zangbo River Bridge in the Lalin Section of the Sichuan-Tibet Railway was selected as the engineering background. The results show that the temperature of steel tube section along the direction of diameter changes with time and has the characteristics of periodic time history and inhomogeneous space. The temperature gradient model of concrete-filled steel tube can be fitted as a three-section line graph according to the specification. Regulations for temperature gradient mode of concrete-filled steel tube arch bridge in “Code for Design of Highway Concrete-filled Steel Tube Arch Bridge” is quite different from that obtained from the experiment. On the basis of the above research results, the concept of “reference temperature gradient” was proposed and the formula for calculating the vertical temperature gradient of different pipe diameters of circular section of concrete-filled steel tube arch bridge suitable for the Qinghai-Tibet plateau was proposed.

the plateau region; concrete-filled steel tube arch bridge; concrete filled steel tube; temperature field; temperature gradient; reference temperature gradient

U44

A

1672 − 7029(2020)08 − 2013 − 08

10.19713/j.cnki.43−1423/u.T20190888

2019−10−11

中国铁路总公司科技研究开发计划项目(2017G006-B)；国家自然科学基金资助项目(51868006)；广西自然科学基金联合资助培育项目(2018GXNSFAA138067)；广西科技计划项目(桂科AB17292018)；广西高等学校高水平创新团队及卓越学者计划项目(桂教人〔2018〕35号)

邓年春(1975−)，男，湖南永州人，教授，从事大跨度拱桥与悬索桥设计与施工成套技术研究；E−mail：dengnch@gxu.edu.cn

(编辑 涂鹏)