混凝土小箱梁桥温度效应实测与仿真分析

王亚飞，徐丰，钟继卫，杨宏印1，，丁章杰

（1.桥梁结构健康与安全国家重点实验室，武汉430034；2.中铁大桥科学研究院有限公司，武汉430034；3.武汉工程大学土木工程与建筑学院，武汉430074）

1 引言

混凝土小箱梁桥较之T梁拥有更大的抗弯刚度，并且重心偏低，各梁之间横向传力充分，受力均匀，底板偏平，不易发生侧翻。在设计施工方面，绝大多数小箱梁采用预制装配式施工，其施工工艺较为标准化，能够保证梁片的质量。另外，在桥梁美观及空间适用方面，对城市道路净空要求较高的跨线桥，小箱梁具有较大的优势。近年来，山西省的小跨径桥梁中，空心板及T梁桥被小箱梁大范围取代，总体占比达到了67%，成为山西省数量第一的梁桥类型[1]。在广东、陕西等省份，小箱梁在实际工程中也逐步取代T梁成为小跨径桥梁的主要梁体形式[2]。

众所周知，桥梁结构的温度效应有可能超过汽车荷载效应，与恒载效应在一个数量级。当前，有关混凝土梁式温度效应的研究主要集中在单箱单室或多室的大箱梁结构[3，4]，针对横向联系在一起共同工作的多片小箱梁桥梁结构的相关研究尚为鲜见。本文构建了一种多软件协同仿真分析平台，对武汉市中环线上的某跨混凝土小箱梁桥的温度场和温度效应进行了为期1年的实测与仿真分析，所用方法和所得结论对该类桥梁的设计、施工、管养可起到一定的参考作用。

2 桥梁及观测系统介绍

本文的研究对象为武汉市中环线上某5×25m预应力混凝土简支小箱梁的一跨，桥梁为东西走向。小箱梁顶板厚10cm，腹板厚30cm，底板厚16cm。在小箱梁桥边梁的跨中布置了若干温度传感器，跨中梁底布置了振弦应变计，在梁端与支座间布置了拉绳位移计，用来实时采集监测小箱梁桥的温度、应力以及位移变化情况，采集频次为10min/次。图1显示了温度传感器的埋设位置。

图1 温度传感器埋置图

3 仿真技术路线

本文采取的是顺序耦合法计算桥梁的温度效应，总体上是先在专业热分析软件平台TaiTherm上进行温度场的时程计算，再将结果导入通用有限元软件ANSYS中进行温度效应计算。TaiTherm可以全面模拟热传导、热对流和热辐射3种传热方式，考虑热辐射的多次反射以及太阳辐射受地理位置、云层遮挡和散射等因素的影响。ANSYS在参数化建模上优势明显，但其划分的网格文件不能被TaiTherm读取，故本文采用网格划分通用性更强的Hypermesh来进行网格划分，使之成为TaiTherm与ANSYS的文件传输中转平台。最终，TaiTherm算出的温度场结果再回代入ANSYS中做温度效应计算，在这个过程中，本文采用Matlab编程，将TaiTherm的结果文件转化为ANSYS可以读取的APDL语句。本文构建的仿真技术路线如图2所示。图3显示了由Hypermesh生成并导入TaiTherm的小箱梁桥温度场计算模型。

图2 仿真技术路线图

图3 Tai Ther m中的小箱梁计算模型

4 实测与仿真结果

4.1 温度场实测与仿真分析

在Taitherm中将图3所示模型的地理位置、海拔高度等参数设置为武汉地区的特征值，再根据武汉地区2019年全年的气象数据，包括太阳辐射、气温、风速、云量等参数的逐时记录，构造出TaiTherm环境热分析所必须的天气文件，分12个月对被观测桥梁的温度场进行了仿真计算。因篇幅原因，本文仅展示平均气温最低的1月和平均气温最高的7月小箱梁顶板底部的仿真和实测结果，如图4所示。

图4 小箱梁桥顶板TS-01处温度仿真计算与实测结果对比

需要指出的是，由于桥梁现场数据采集系统的故障，实测数据有少量缺失。另外，在仿真计算中，由于初始温度取值的影响，在渡越时间内仿真结果与实测结果差别较大，但不超过2℃。总体上，仿真结果与实测结果吻合良好。

4.2 温度效应实测与仿真分析

基于前文构建的多软件仿真分析平台，由桥址处的天气条件对被观测小箱梁桥的梁端纵向位移与跨中梁底正应力进行了预测。此处依然仅展示1月和7月的计算与观测结果，预测值与实测值的对比如图5和图6所示。从图5可以看出，小箱梁梁端纵向位移预测值与实测值吻合情况较好。进一步采用数据统计软件SPSS对预测和实测2列数据进行线性回归分析，发现二者全年的斯皮尔曼相关系数接近0.9，显著性水平P值小于0.01，说明2组数据具有强相关性。从图6可以看出，小箱梁跨中截面梁底正应力的预测值与实测值的变化趋势相同，但具体数值相差较大。分析表明，跨中截面梁底正应力的预测值与实测值的斯皮尔曼相关系数约为0.7。究其原因，主要是跨中截面梁底正应力中含有汽车荷载及其冲击效应。在很多文献中，温度效应被视为噪声来滤除，而本文研究的是温度效应，汽车荷载效应则是干扰因素。

图5 小箱梁梁端纵向位移预测值与实测值对比

图6 小箱梁跨中截面梁底正应力预测值与实测值对比

5 小箱梁的竖向梯度温度模式

在实测和仿真计算的基础上，本文构造出了符合武汉地区气候条件的混凝土小箱梁的最不利竖向温度梯度模式（见图7）。该模式在梁顶采用的是指数函数进行拟合的，梯度温度代表值略小于JTG D60—2015《公路桥涵通用设计规范》中的规定值[5]。但是，该规范没有考虑竖向温度梯度模式在梁底的一段反折，这必将对温度应力的计算值产生影响，而且是偏于不安全的，应引起设计人员的重视。

图7 混凝土小箱梁的最不利竖向温度梯度模式

6 结论

本文通过对武汉市中环线上某跨混凝土小箱梁桥的温度场和温度效应进行了实测于仿真分析，得到了如下结论：

1）本文构建的由TaiTherm、Hypermesh、ANSYS组成的协同仿真分析平台可以较为准确地预测小箱梁桥的温度场和温度效应。该方法应该可以向其他地区乃至其他桥型推广；

2）上述预测方法在温度场和主要受温度场影响的监测指标（如梁端纵向位移）的预测中效果良好；

3）符合武汉地区气候条件的混凝土小箱梁的最不利竖向温度梯度模式与设计规范相比有一定的差异，且偏于不安全，应引起设计人员的注意。