高速铁路桥梁空心薄壁高墩日照温度效应研究

张振国，鲍海荣，张 谦，孙 斌，叶荣兵，方 超

(1. 中铁十二局集团有限公司，太原 030024；2. 华东交通大学土木建筑学院，南昌 330044)

空心薄壁高墩作为跨越山谷的主要墩柱类型，具有节省混凝土用量、自重较轻、地基基础适应性强等优点，随着翻模施工工艺的日益成熟和普及，其在桥梁工程中的应用日渐广泛[1]。考虑到南方山谷气候干燥、日光照射强烈、日夜温差大等特点，暴露于外界自然环境中的空心薄壁桥墩在大气温度、辐射换热及日照辐射作用下，墩柱的内外壁容易形成较大温度差异，从而出现对墩体不利的温度应力，导致裂缝产生，这会严重影响桥梁的使用安全。为探讨空心薄壁高墩在日照温度效应下的力学性能，不少学者通过现场实测的方法对墩壁温度场分布进行研究[2-4]，并应用解析法探讨其力学性能。但考虑到日照温度效应具有较强的地域差异，采用现场实测往往只能针对某一地区、特定尺寸的空心墩进行分析，具有明显局限性，因此开展有限元分析成为其有效补充。目前学者顾皓玮等[5]、杨美良等[6]、李彪等[7]基于现场实测，结合桥址地理数据和气象条件建立了相关数值仿真模型，在与实测结果对比验证的基础上，研究了空心薄壁高墩的日照温度应力分布规律和温度变形，但鲜有关于不同气象参数和结构几何参数下温度场效应的文献研究。

针对上述问题，以赣深高铁王村特大桥40.2 m高的圆端形空心薄壁桥墩为研究对象，通过在墩壁截面埋设温度传感器，测量全天墩壁日照温度场分布，应用midas FEA软件建立空心薄壁高墩温度场空间有限元模型，对比数值分析结果与实测数据，在此基础上研究风速和墩壁厚度对空心薄壁高墩日照温度效应的影响。

1 温度场现场测试

1.1 传感器布置及测试方法

赣深高铁王村特大桥为主跨32 m的简支梁桥，空心薄壁高墩墩身正、侧面图如图1所示。为探讨日照温度效应对空心薄壁高墩的影响，选取本桥最大墩身高度为40.2 m的空心桥墩作为研究对象，在墩身截面顺桥向以及横桥向4个方位安装JMT-36B温度传感器来测试不同时刻桥墩沿壁厚方向的温度，墩身截面及温度测点布置如图2所示。温度传感器竖向布置在距墩底10 m处，其中顺桥向和横桥向各安装2排，每排均有5个温度传感器，间距为0.125 m，共计20个温度传感器，采用JMZX-3001综合测试仪进行温度测量。

(a) 墩身截面(单位：cm)

1.2 实测数据分析

选取当地夏季天气晴朗、风速较小、太阳照射强烈、昼夜温差大的3 d(2019年7月28日、7月30日和8月2日)对该墩截面开展现场日照温度实测，测试间隔为2 h，图3～图5分别为7月28日、7月30日和8月2日温度实测数据变化，各侧墩壁的最高温度、最低温度和内外温差如表1所示。

由图3～图5及表1可知，选取的3 d测试得到的空心薄壁高墩温度场分布规律大致相同，其中北侧墩壁均在14：00左右达到温度峰值，此时前后3 d墩壁内外温差分别为16.7 ℃、16.2 ℃和15.4 ℃；东侧墩壁均在12：00左右达到温度峰值，此时前后3 d墩壁内外温差分别为13.3 ℃、13.1 ℃和12.9 ℃；南侧墩壁均在16：00左右达到温度峰值，此时前后3 d墩壁内外温差分别为15.3 ℃、16.3 ℃和15.6 ℃；西侧墩壁均在16：00左右达到温度峰值，此时前后3 d墩壁内外温差分别为15.2 ℃、15.3 ℃和15.1 ℃。

(a) 北侧墩壁1

(a) 北侧墩壁2

(a) 北侧墩壁3

表1 各侧墩壁的最高温度、最低温度和内外温差 (℃)

2 日照温度效应数值模拟

应用midas FEA软件建立空心薄壁高墩的有限元模型，其中墩高按40 m选取，采用自动实体网格(六面体主导)进行网格划分，划分长度为0.125 m。主墩采用C35混凝土，相应的导热系数和比热分别按2.45 J/(m·s·K)和912 J/(kg·K)取值。模型中采用对流换热系数函数、温度环境函数表征对流换热、太阳辐射以及混凝土结构与周围环境的辐射换热这三种荷载效应，对流换热系数的函数表达式[6]为

αc=6.35+3.46v+αr

(1)

式中，αc为对流换热系数，W/(m2·K)；v为场地的实测风速；αr为墩外表面辐射。

midas FEA软件中温度环境函数一般以用户定义的综合气温进行设定，相应的表达式为

Tsa=Ta+αI/αc

(2)

式中，Tsa为综合气温；Ta为外界气温；I为日照辐射强度，W/m2；α为混凝土吸热率，取0.55 ℃/K；αc为对流换热系数。

研究选取具有代表性的7月28日相关数据开展数值分析，根据当地气象部门资料和现场实测数据，取平均风速为2 m/s，墩外表面辐射为5.6 W/(m2·K)，各侧墩壁日照辐射强度及外界气温如表2所示，其中墩壁日照辐射强度通过MS-402日照强度计实测求得。在墩身外部，由式(1)可以求得对流换热系数为18.87 W/(m2·K)，结合式(2)和表2可计算得到各侧墩壁综合气温，如表3所示；在墩身的内部，由于没有风速及表面辐射的影响，由式(1)可知对流换热系数为6.35 W/(m2·K)，而综合气温按早晨6：00外界气温20 ℃取值。

表2 各侧墩壁日照辐射强度及外界气温

表3 各侧墩壁综合气温 (℃)

2.1 温度云图分析

建立数值仿真模型，应用热传递分析方法，给出7月28日具有代表性的4个时刻温度云图，如图6所示。空心薄壁高墩的温度场分布情况随时间的变化而变化，墩身外侧壁受外界温度的影响较大，而内侧壁的温度变化较小，温度分布更加稳定，这是由于混凝土导热性能差，并且内部处于封闭状态的高墩无法与外界进行热对流。10：00左右太阳持续照射空心薄壁高墩的东侧，墩体温度上升较快。东侧壁板在12：00左右达到最高温度 33.9 ℃，此时内外壁的温差达到13.6 ℃。北侧壁板最高温度发生在14：00左右，为36.4 ℃，内外壁温差达到16 ℃。南侧壁板最高温度发生在16：00左右，为37.1 ℃，内外壁温差达到16.1 ℃。西侧壁板最高温度发生在16：00左右，为36.2 ℃，内外壁温差达到15.3 ℃。壁板的最高实测温度也比当天的最高气温更高，这是由于混凝土外侧墩壁吸收了大量阳光照射的能量而导致其温度升高，同时也说明空心薄壁高墩壁对气温变化的敏感性强，混凝土导热性能差及其温度分布不均匀。

(a) 10：00

2.2 分析结果对比

应用上述建立的数值仿真模型，给出7月28日温度场分布数值结果与实测结果对比，如图7所示。

(a) 北侧墩壁4

由图7可知数值分析结果和实测数据大致吻合。北侧、东侧、南侧和西侧墩壁产生最大温差的时刻分别为14：00、12：00、16：00及16：00，与实测数据出现最大温差的时刻基本相同，表明通过合适的对流系数函数、温度环境函数参数选取，应用midas FEA软件进行空心薄壁高墩日照温度效应数值分析具有较好的精准性。

3 参数分析

本节利用上述数值仿真模型，研究风速和墩壁厚度对空心薄壁高墩日照温度效应的影响。分析时桥墩高度、外观尺寸不变，日照温度选用7月28日的温度场分布。

3.1 风速

考虑到在山谷地区桥墩的日照温度效应受风速影响较大，因此选取风速为0 m/s、2 m/s、4 m/s和6 m/s的4种情况进行温度效应的参数分析。不同风速下的主墩温度应力和墩顶最大位移如表4所示，分析时墩壁厚度取0.5 m，其中不同风速下的对流换热系数函数和温度环境函数由式(1)求得。

表4 不同风速下的主墩温度应力和墩顶最大位移

由表4可知，随着风速的增大，由日照温差引起的墩身截面最大拉应力、最大压应力和墩顶最大位移均呈单调递减趋势，这是由于风速的增大能够加快空心薄壁高墩表面的对流换热速度，减少墩壁内外温差，从而减小日照温度应力并降低墩顶变形。

3.2 墩壁厚度

为探讨墩壁厚度对日照温度效应的影响，分别选取0.3 m、0.5 m、0.7 m和0.9 m的不同墩壁厚度，对其温度应力和变形进行分析，不同墩壁厚度下的温度应力和墩顶最大位移如表5所示，且分析时风速按2 m/s考虑。

由表5可知，日照温度应力和墩顶最大位移均随着墩壁厚度的增大而逐渐降低。这是由于随着墩壁厚度的增加，在不同时刻日照温度场分布基本保持不变，即日照温度影响的墩壁厚度范围基本保持不变，导致产生最大拉应力和最大压应力的位置从墩外壁向墩壁中心移动，而墩壁厚度的增加将加大截面刚度，因此降低了温度应力和墩顶位移。

表5 不同墩壁厚度下的温度应力和墩顶最大位移

4 结论

以赣深高铁王村特大桥40.2 m高的圆端形空心薄壁桥墩为研究对象，通过在墩壁截面埋设温度传感器，测量全天墩壁的日照温度情况，应用midas FEA软件建立空心薄壁高墩的温度场空间有限元模型，并将数值分析结果与实测数据进行对比，在此基础上分析风速及墩壁厚度对空心薄壁高墩日照温度效应的影响，得到以下结论。

(1) 空心薄壁高墩的日照温度场在截面墩壁厚度方向呈非线性分布规律，其中外侧壁受外界气温条件影响较大，而内侧壁的温度变化较小，温度分布更加稳定。

(2) 基于合适的对流系数函数、温度环境函数参数选取，应用midas FEA软件进行空心薄壁高墩日照温度效应数值分析具有较好的精准性。

(3) 日照温度效应对环境风速和墩壁厚度较为敏感，其应力值和墩顶变形随风速的增大和墩壁厚度的增加呈单调递减趋势。