新型波形钢腹板组合箱梁桥温度效应研究

王力，牛思胜，刘世忠，丁万鹏，路韡

新型波形钢腹板组合箱梁桥温度效应研究

王力1，牛思胜2，刘世忠1，丁万鹏1，路韡1

(1. 兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省交通运输厅，甘肃 兰州 730030)

针对我国刚刚兴起的新型波形钢腹板组合梁桥建设，其日照温度效应已经受到国内学者的日益重视。以某高速公路上一座新型波形钢腹板组合箱梁桥为工程背景，对2个波形钢腹板箱梁截面展开温度场现场实测，研究其日照温度场分布特征。并借助有限元软件对比分析了实测、规范温度场作用下的箱梁温度响应。结果表明：现场实测混凝土顶板与腹板接触区域存在一定温差，实测温度场与现行《规范》相关规定具有明显差异；由于顶、腹板接触局部的温差，在竖、横向实测二维温度梯度模式下，箱梁混凝土顶板上缘横向拉应力最大达1.02 MPa。温度变形引起的主拉应力极有可能导致顶板的纵桥向开裂，设计中应引起重视。

波形钢腹板；组合箱梁；温度场分布；有限元；温度应力

波形钢腹板组合箱梁桥兼具受力明确、造型美观、结构轻质等优点，目前已在国内桥梁建设中得到了大力推广应用[1−2]。传统波形钢腹板组合箱梁桥由混凝土顶板、波形钢腹板和混凝土底板组成，但这种结构构造复杂，在工程实践中施工难度较大；当采用悬臂施工时，支点位置负弯矩较大，易造成上缘受拉开裂。针对传统波形钢腹板组合梁桥支座负弯矩大、下翼缘施工难度高、正弯矩区域混凝土受拉等问题，研究者们提出了采用钢底板替换混凝土底板的新型截面形式，目前，该新型结构已在工程实践中得到了应用[3]。新型波形钢腹板组合箱梁桥主要由钢材和混凝土2种材料组成。钢材的热传导系数约为混凝土的50倍[4]，2种材料在环境温度下的导热性能差异会导致截面次应力的产生和混凝土从表面至内部的温度梯度。大量工程实践和研究表明，箱型梁桥的不均匀温度场产生的温度应力甚至超过活载作用应力，是导致箱梁桥开裂病害的主要原因[4]。目前，国内外学者对桥梁温度效应的研究主要集中于混凝土箱型梁桥[5−10]，对于波形钢腹板组合箱梁桥的研究甚少[11]，对于新型波形钢腹板组合箱梁桥温度效应的研究更是鲜见报道。基于上述研究现状与背景，本文以甘肃省某高速公路上一座新型波形钢腹板组合简支箱梁桥为例，基于现场实测数据建立二维温度场仿真分析模型。探讨新型波形钢腹板组合箱型梁桥在日照升温作用下的温度场分布特征与规律，并对该桥温度效应进行分析，为该类新型结构的设计提供必要的借鉴。

1 温度应力的有限元计算理论

假设混凝土顶板与钢腹板交界面处无相对滑移，组合箱梁整体变形服从平截面假定。计算图示见图1。

取梁上一个单元进行分析。当纵向纤维之间自由伸缩，沿梁高的自由应变与温度应协同变化，即：

式中：α()和()分别表示高度为位置的材料线膨胀系数和温度分布值。

(a) 截面；(b) 温度梯度；(c) 平面变形；(d) 自应力应变

图1 温度应力计算示意图

Fig. 1 Calculation diagrams of temperature stress

但由于纵向纤维间存在相互约束，梁截面变形应满足平截面假定，则梁截面实际应变应呈直线分布，则：

式中：0表示=0位置的应变；表示截面变形后的曲率。

结构温度自应力实质为实际应变与自由应变之差，即：

故纵向纤维约束引起的自应力可以表示为：

式中：()表示高度处的材料弹性模量。

根据温度自应力的自平衡条件，截面上的内力之和应为0，即：

式中：()表示高度为位置的梁宽；y表示换算截面中性轴位置。

将式(5)、式(6)联立，便可得到在任一温度分布模式下箱梁不同位置处的应力。

2 新型波形钢腹板组合箱梁桥温度场实测

2.1 桥梁概况及测点布置

桥址地处温带半干旱气候区，昼夜温差较大，位于103.62°E，36.515°N，海拔高度1 942.6 m。年平均气温6.9 ℃，最高、最低日平均气温为38.8 ℃和−20.0 ℃。1月平均气温为−11.6 ℃，为全年最低；7月平均气温为20.5 ℃，为全年最高。本研究测试时间选择在2019年7月6日至7月8日。观测时间间隔为2 h。

该桥(见图2)呈东北至西南走向，上部结构采用等截面4箱单室新型(钢底板−波形钢腹板−混凝土顶板)波形钢腹板组合箱梁，桥宽20.0 m，下部结构为双柱长悬臂式桥墩，桩基础。桥面铺装采用10 cm厚沥青混凝土。选取简支梁1/4跨附近2个截面作为温度观测截面(见图3)，每个截面共设124个测点，沿桥轴线呈对称布置。单个箱室测点布置如图4所示。

(a) 桥梁外观；(b) 箱梁局部

单位：mm

单位：mm

2.2 测试方法与设备

为了更准确测试混凝土表面、波形钢腹板和钢底板的温度分布，采用便携式德力西DHFDE6830B红外线测温仪(见图5(a))进行温度采集，顶板混凝土内部采用埋置式JMT-36C温度传感器测量(见图5(b))，环境温度采用LCD-DTM280型温度计(见图5(c))测量。

(a) 红外线测温仪；(b) 埋置式传感器；(c) 环境温度计

3 温度场测试结果

3.1 环境温度

根据现场环境温度测试结果(见图6)可知，温度随时间的变化规律大体一致。最高温基本出现于14:00左右，最低温基本出现于凌晨4:00左右。桥址处最大昼夜温差达16.1 ℃。

3.2 梁体温度分布

通过72 h对箱梁各温度测点的定时观测，得到了箱梁竖向和横向温度时程曲线。7月6日~7月8日天气状况基本稳定，限于篇幅，本文选取最大温差区段7月7日6:00~7月8日4:00温度实测数据进行分析(见图7和图8)。

图6 桥址环境温度

3.2.1 竖向温度分布

图7(a′)，7(a″)为1号箱室①位置(见图3)竖向温度分布，图7(b′)，(b″)，7(c′)，(c″)为2号和3号箱室两侧的温度平均值；图7(d′)，7(d″)为4号箱室⑧位置竖向温度分布。1号箱室②位置与2号箱室温度分布较为接近、4号箱室⑦位置与3号箱室也较为接近，限于篇幅，不予详列。

由图7可以看出：1号和4号箱室温度变化较2号和3号箱室温度变化更剧烈。在当日22:00~次日6:00，太阳无辐射环境下，混凝土顶、底面因与环境接触而降温较多，混凝土内部则降温较少，竖向温度呈现反“C”形形状；太阳辐射较强时段(10:00~18:00)，混凝土顶板温度呈“C”形分布。无太阳直射至腹板时，波形钢腹板沿梁高方向温度变化不明显。波形钢腹板和顶板混凝土之间存在明显的温差，最大温差达4.1 ℃。

3.2.2 横向温度分布

经观测数据分析，1号和4号箱室底板横向温度变化较明显，2号和3号箱室温度横向变化很小。在此仅列出1号和4号箱室底板温度时程曲线。

由图8可得：1) 新型箱梁结构底板均为导热性能较好的钢材，温度在横向未出现突变现象；2) 在无太阳辐射时段(20:00~6:00)，箱梁靠外侧底板温度略低于内侧，但总体分布较均匀，最大温差为1.7 ℃；在有太阳辐射时段(8:00~16:00)，温度变化规律与无太阳辐射时段相反，其中，箱梁底板外侧与内侧最大温差为16:00的6.1 ℃，这是由于太阳光辐射至波形钢腹板表面，致使箱梁底板外侧快速升温引起的。

(a′)，(a″) 1号箱室；(b′)，(b″) 2号箱室；(c′)，(c″) 3号箱室；(d′)，(d″) 4号箱室

(a′)，(a″) 1号箱室底板；(b′)，(b″) 4号箱室底板

4 最不利温度梯度

相较于数值模拟仿真，现场实测温度场数据能够更为真实地反映出结构温度场的变化情况与分布规律。然而温度时程曲线数据量庞大，不利于工程实践应用。因此，需要运用数学方法对实测数据进行分析处理。通过现场实测温度场确定桥梁最不利温度梯度的方法主要有3种：1) 截面上、下缘温度应力达峰值时刻的结构温度分布形式；2) 以连续24 h内温度变化最小测点作为参照温度得出梁截面温差分布形式，以温差之和最大时刻的温度梯度作为最不利温度梯度；3) 测试顶面温度达最大值时刻的结构温度分布形式。本文采用第3种方法确定最不利温度梯度，将16:00温度实测数据拟合为直观的函数形式。

4.1 竖向温度梯度

主梁由混凝土和钢材2种材料组成，二者在结合部位温差显著，因此，竖向温度梯度拟合采用分段函数形式。本桥顶板温度梯度按线性分布拟合，钢腹板温度梯度以三次函数形式拟合。拟合结果如表1所示。

表1 箱梁竖向温度梯度拟合结果

注：表中为测点至箱梁顶面的垂直距离。

4.2 横向温度梯度

为了保证最不利温度场的时间同一性，仍选用16:00的底板横向温度分布实测数据进行拟合。拟合函数参数如表2所示。

表2 箱梁横向温度梯度拟合结果

5 温度效应分析

5.1 有限元模拟

根据现场实测和大量文献资料表明：沿桥轴线方向桥梁温度分布较为均匀，在计算中通常可以略去桥梁顺桥向的微小温差[12]。

图9 有限元模型

运用MIDAS/FEA软件建立背景工程温度效应实体分析模型，节段长度为3.20 m；模型混凝土顶板采用六面体实体单元，波形钢腹板、钢底板均采用4节点板壳单元模拟。模型共32 779个节点，29 575个单元，见图9。对模型横向和竖向进行温度效应数值仿真分析。组合箱梁材料热物理参数如表3所示。

5.2 温度响应对比

我国现行《公路桥梁设计通用规范》(JTG D60—2015)[13]（后简称《规范》）规定桥梁温度梯度模式与本文实测拟合温度梯度模式存在显著差异。为了研究2种温度模式下的结构响应，利用MIDAS/FEA有限元模型对箱梁温度响应进行对比分析，结果如图10和图11所示。

表3 箱梁材料热物理参数

(a) 顶板上缘；(b) 顶板下缘；(c) 底板下缘

5.2.1 顶板温度应力

由图10可知：1) 在实测、规范2种温度梯度模式下，箱梁顶、底板横向温度应力沿桥轴线呈对称分布且分布规律基本一致。2) 规范温度梯度下箱梁顶板上缘均为压应力，而实测温度梯度下，由于顶板与腹板接触局部钢与混凝土之间的温差，钢与混凝土的形变量差异性致使除腹板上部外的大部分区域出现拉应力，最大达到1.02 MPa。温差引起较大的横向拉应力可能导致箱梁出现纵向裂缝，设计中应予以重视。3) 在规范温度梯度下，顶板底缘大部分区域为拉应力，最大可达3.25 MPa；在实测温度梯度下，顶板底缘除腹板附近位置，大部分区域为压应力。4)在规范温度模式下，顶板上缘应力由1号和4号箱室外侧翼缘板控制，下缘应力由2号和3号箱室外侧翼缘板控制；在实测温度模式下，顶板上缘应力由1号和4号箱室内侧翼缘板控制，下缘应力由1号和4号箱室外侧翼缘板控制。

5.2.2 顶、底板挠度

由图11可知：1) 在规范、实测温度梯度下，箱梁挠度变形规律一致，大体表现为顶、底板在1号箱室中轴线至4号箱室中轴线范围内发生上挠，在1号和4号箱室中轴线至外侧翼缘板发生下挠。2) 规范温度梯度下的箱梁顶、底板最大挠度为实测温度梯度下的2.24倍和2.70倍。

(a) 顶板上缘；(b) 钢底板

6 结论

1) 新型波形钢腹板箱梁桥温度实测数据分析表明：在竖桥向，顶板梯度呈线性分布，腹板呈3次抛物线分布；在横桥向，顶、底板均呈3次抛物线分布。

2)由于顶板与腹板接触局部的温差，在竖、横向实测二维温度梯度下，箱梁顶板上缘横向拉应力最大达1.02 MPa。温度变形引起的主拉应力极有可能引起顶板的纵桥向开裂，设计中应予以重视。

3) 2种温度模式下的箱梁顶、底板挠度和应力差异较大，实测计算结果较规范更为不利。因此，简单套用规范可能对结构温度响应造成较大的误差，建议设计中根据桥址气象数据对温度荷载进行专项研究。

[1] 李运生, 陈留剑, 刘蓓, 等.波形钢腹板曲线结合梁弯扭效应的解析解推导及参数分析[J]. 铁道学报, 2019, 41(1): 101−108. LI Yunsheng, CHEN Liujian, LIU Bei, et al. Analytical solution derivation and parametrical analysis of bending-torsional effects of curved composite beam with corrugated steel webs[J]. Journal of the China Railway Society, 2019, 41(1): 101−108.

[2] 张峰, 陆小蕊, 叶见曙, 等. 波形钢腹板组合梁体外预应力极限应力模型试验及建议公式[J]. 东南大学学报(自然科学版), 2018, 48(5): 834−842. ZHANG Feng, LU Xiaorui, YE Jianshu, et al. Test and formula for ultimate stress of externally prestressed tendons in corrugated steel web composite beam[J]. Journal of Southeast University (Natural Science Edition), 2018, 48(5): 834−842.

[3] 关惠军. 景中高速机场连接线波形钢腹板钢-混组合箱梁制作技术[C]// 2019世界交通运输大会论文集, 2019: 650−658. GUAN Huijun. Fabrication technology of corrugated steel web steel-composite box girder for Jingzhong expressway airpory connection line. Proceedings of [C]// 2019 World Transport Convention, 2019: 650−658.

[4] 肖林. 钢−混凝土组合梁桥的温度场分析[C]// 中国钢结构协会结构稳定与疲劳分会, 2018: 552−560. XIAO Lin. The temperature field analysis of steel- concrete composite beam bridge[C]// Institute of Structural Stability and Fatigue, China Steel Construction Society, 2018: 552−560.

[5] 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. ZENG Qingxiang, HAN Dajian, MA Haitao, et al. Analysis of temperature effects on prestressed concrete box girder bridges[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2010, 41(6): 2360−2366.

[6] 周记国, 钟新谷, 王桂花, 等. 日照作用下混凝土箱梁竖向温度梯度场研究[J]. 合肥工业大学学报(自然科学版), 2016, 39(2): 223−227, 243. ZHOU Jiguo, ZHONG Xingu, WANG Guihua, et al. Research on vertical temperature gradient field of concrete box girder under sunshine temperature load[J]. Journal of Hefei University of Technology (Natural Science), 2016, 39(2): 223−227, 243.

[7] 顾斌, 陈志坚, 陈欣迪. 大尺寸混凝土箱梁日照温度场的实测与仿真分析[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2013, 44(3): 1252−1261. GU Bin, CHEN Zhijian, CHN Xindi. Measurement and simulation on solar temperature field of large size concrete box girder[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2013, 44(3): 1252− 1261.

[8] 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. LEI Xiao, YE Jianshu, WANG Yi, et al. Analysis of concrete box-girder temperature and strain based on long term observation[J]. Journal of Jiangsu University (Natural Science Edition), 2010, 31(2): 230−234, 239.

[9] 张元海, 李乔. 非线性日照梯度温度作用下斜支承箱梁的温度效应研究[J]. 工程力学, 2009, 26(1): 131−136. ZHANG Yuanhai, LI Qiao. Temperature effect on skew box girder assuming nonlinear temperature gradient of sunshine[J]. Engineering Mechanics, 2009, 26(1): 131− 136.

[10] 谭毅平, 韩大建. 预应力混凝土箱梁桥日照温度效应研究[J]. 深圳大学学报(理工版), 2008(1): 43−49. TAN Yiping, HAN Dajian. Study on solar temperature effect of prestressed concrete box-girder bridge[J]. Journal of Shenzhen University Science and Engineering, 2008(1): 43−49.

[11] 赵品, 叶见曙. 波形钢腹板箱梁桥面板横向温度效应分析[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2019, 40(5): 974−978. ZHAO Pin, YE Jianshu. Analysis of transverse temperature effects on the deck of box girder with corrugated steel webs[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2019, 40(5): 974−978.

[12] 周敏, 戴公连, 闫斌. 温度作用下桥上CRTSⅡ型轨道离缝及变形分析[J]. 铁道科学与工程学报, 2016, 13(12): 2341−2346. ZHOU Min, DAI Gonglian, YAN Bin. Analysis of gap and deformation of CRTSⅡ track on bridges under temperature[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2016, 13(12): 2341−2346.

[13] JTG D60—2015, 公路桥梁设计通用规范[S]. JTG D60—2015, General specifications for design of highway bridges and culverts[S].

Research on thermal effect of new-pattern corrugated steel web composite box girder bridge

WANG Li1, NIU Sisheng2, LIU Shizhong1, DING Wanpeng1, LU Wei1

(1. School of Civil Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China;2. Gansu Provincial Department of Transportation, Lanzhou 730030, China)

In view of the construction of a new type of steel bottom plate CSW composite girder bridge in China, the temperature effect has been paid more and more attention by domestic scholars. In this paper, taking a new-pattern CSW box girder bridge on a highway as the engineering background, The temperature field of two corrugated steel webs box girders was measured in situ, and the distribution characteristics of sunshine temperature field were studied. Finally, the temperature response of box girder under the action of standard temperature field is analyzed by the comparison of the finite element software. The results show that there is a certain temperature difference between the concrete top plate and the contact area of the web, and the measured temperature field is obviously different from the relevant provisions of the current. Due to the temperature difference between the roof and the web, in the vertical and transverse measured two-dimensional temperature gradient mode, the transverse tensile stress of the upper edge of the top of the box girder concrete roof is up to 1.02 MPa. The main tensile stress caused by the temperature deformation is most likely to cause the longitudinal bridge of the top plate to crack, and attention should be paid to the design.

corrugated steel webs; composite box girder; temperature field distribution; FEM model; temperature stress

U441+. 5

A

1672 − 7029(2020)08 − 2021 − 09

10.19713/j.cnki.43−1423/u.T20190896

2019−10−17

国家自然科学基金资助项目(51868040，51568036)

刘世忠(1962−)，男，甘肃天水人，教授，博士，从事于组合结构桥梁理论研究；E−mail：Liusz2000@163.com

(编辑 蒋学东)