温度效应对钢箱梁应力变化规律影响分析

赵福利，李高堂，朱 毅，乔升访，4

（1、珠海市建设工程质量监测站 珠海519015；2、中铁二十局集团有限公司 西安710016；3、广州市建筑科学研究院有限公司 广州510440；4、华南理工大学 广州510641）

0 前言

钢箱梁应变或应力监测［1-5］是钢箱梁结构健康监测的重要参数，是结构损伤评估子系统的重要环节。自身结构形式、边界条件、外界环境及偶然荷载作用复杂多变，都会导致结构应力变化错综复杂。若尽可能减少尽可能多的干扰因素影响，对于研究结构应力变化的机理具有重要意义。受外界环境（如：风等横向荷载，温度荷载）及车辆等偶然荷载作用，对于自身复杂结构导致结构响应及边界条件等复杂程度提高，此外，结构形式与边界条件是相互作用相互影响，因此将进一步导致结构响应复杂性加深。

结构体对温度荷载响应时长与车辆及风等荷载作用相比较缓，但对于结构应力变化的影响较大，然而传统的消除方法［6-10］可消除车辆及噪声对应力监测值得影响。但这些消除方法的消除效果是无法完全消除的，故在钢箱梁没通车前，可消除车辆偶然荷载作用，且监测的数据来自秋冬季节，无较大的风荷载作用，此时可默认为钢箱梁仅受温度变化引起的结构性能响应，通过探究温度变化与此时结构应力变化值的关系，梳理分析结构内部复杂机理反应具有重要作用。

影响钢箱梁温度场因素主要有外界环境、热交换因素、桥位测点分布因素以及结构形式因素等［11］。其中外界环境包含结构所处的地理位置，地理位置先天决定了大致气候条件及有无台风等恶劣天气；而热交换因素［12］包括大气温度与箱梁内部热交换，太阳辐射等；桥位测点分布因素以及结构形式后天决定测点接受太阳辐射量（如上下板）；迎风面会加快结构热交换；铺装层沥青对温度变化影响较为显著。

1 珠海某立交桥应变与温度变化关系研究

1.1 珠海某立交桥工程概况

本文研究依托珠海某立交桥，主桥为单柱墩的钢箱梁结构。主跨桥梁结构实施智能化桥梁结构健康监测系统，其中包括应力、测点温度、竖向挠度、加速度、桥墩倾斜及外界气象等监测内容，监测数据来源于已在桥梁结构上稳定运行一段时间后上传至监测平台数据段。

基于前期对结构体实施数值模拟分析并结合实际工况，将主桥应变传感器布设于钢箱梁跨中内部密闭空间内，由于密闭环境对无线数据传输造成不利影响，在桥面板上开设5 mm 小孔，将应变计导线引出桥面通过打孔方式将导线引出桥面后，使用混凝土将缺口进行密封处理。主桥结构上的应变及温度传感器布置如图1 所示。与此同时，在空旷桥面处安装装有外界环境监测传感器，测量主桥周边环境的温度变化。主梁截面共焊接有36个应变传感器，分别安装在钢箱梁跨中3个室中，每个仓室各12个，如图1所示。

图1 钢箱梁跨中截面内应力传感器安装位置Fig.1 Installation Position of Internal Stress Sensor in the Mid Span Section of Steel Box Girder

对于钢箱梁而言，温度变化对结构应力分布影响较大［13］。据现场实测数据显示：在夏季环境条件下，同一时段桥面上顶板与下底板温差，同一部位昼夜温差高达10 ℃以上，温度对结构的应力分布的影响不容忽视，故进行桥体的温度监测很有必要［14］。

1.2 现场温度监测

1.2.1 智能化健康监测日温度变化特征与统计分析

由图2⒜可知，当钢箱梁处于高温环境条件下，2 号室与3 号室部分测点最高温度达50 ℃以上，最低温度在30 ℃以上，远高于当时室外温度。其中横坐标表示离散信号的采样个数，即采集次数。由于阳光直接照射上顶板，导致上顶板的传感器温度远高于下底板温度；由于钢箱梁内部为较密闭环境，经过太阳照射后，钢箱梁内部空气流动差，温度持续升高导致的，而且保温性能良好，从而导致箱梁内温度无论在高温还是低温条件下，室内温度均高于外界环境；此外，钢箱梁上顶板表面铺设有沥青，导致外界温度变化时，与上顶板相比，下底板的温度变化较为敏感。太阳辐射对钢箱梁温度变化起主导作用。在低温条件下，钢箱梁内室温度变化波动较小。

图2 不同环境下箱梁部件典型温度时程曲线Fig.2 Typical Temperature Time History Curve of Box Girder Components in Different Environments

在高温晴朗环境下，多条曲线波动幅度不同，但规律性较强，大气温度曲线具有导向作用，变化较为敏感，钢箱梁室内温度及测点曲线段具有滞后性，但波动趋势与大气温度相符，如图3 所示。室内温度位于上下板温度的平均水平，竖向温差变化较大。在阴天环境下，4条曲线的波动幅度较小，由于没有太阳光直接作用于上顶板的因素影响，钢箱梁截面竖向温差较小。无论在晴天还是在阴天条件下，下底板某测点温度曲线与大气温度曲线吻合程度高，当无法得知外界大气温度时，可将下底板监测得到的温度值暂时代替外界大气温度值使用。没太阳光照射时，上顶板温度与外界大气温度接近，当太阳照射强度持续提高时，上顶板温度上升较快。

图3 外界环境与桥体耦合作用展示Fig.3 External Environment and Bridge Coupling

经过研究可知，当两次结构体监测数据，温差较大时，温度对结构产生的温度应力不容忽视，故本节将详细分析温度对应力变化的影响，将其量化成公式，方便日后工程上使用，本节使用的数据段来源于监测的钢箱梁已竣工，但暂时没通车时间段内的监测数据，这段时段内，桥面上已竣工，无人工桥面施工，桥面封闭，无车辆行驶，监测得到的数据可用于研究温度对钢箱梁结构的影响。

1.2.2 港澳大道立交桥应力与温度日关系变化分析

从云平台上提取某天箱梁监测得到的应力与温度数据，探究港澳大道立交桥应力与温度日关系变化。如图4所示，红色曲线是温度变化曲线，蓝色曲线是应力变化曲线。早上时间段为8∶00～11∶59；中午时间段为12∶00～15∶00；晚上时间段为18∶00～22∶00。

观察图4⒜可得在凌晨时分，温度持续下降；在早上期间由于太阳照射作用的影响，上顶板温度上升较快，在晚上时分及凌晨时分上顶板温度下降速率加快。由于钢箱梁内部是一个密闭空间，通过太阳照射作用的影响，温度可持续上升，上顶板温度可远高于外界大气温度。故结构温差值较大，图中最大温差值为23 ℃是合理的；在下午太阳照射强度下降，上顶板的温度开始下降。观察下底板温度变化曲线发现，由于没太阳直接照射的作用，下底板温度变化相对稳定，整体曲线趋势与上顶板相似。观察应力变化曲线可得，应力值并非处于恒定值，而是处于较大变化幅度波动中，桥体目前处于竣工尚未通车阶段，且无施工人员在桥面上施工及大型器械作业，监测期间无大型台风登陆，由此可判断结构应力变化值是由温度变化而引起的，图4⒜上顶板应力变化与温度是负相关性变化的，随着温度下降，上顶板应力值升高，且测点每天的应力变化具有规律性，与温度变化值是一一对应的。而且变化速率是相同的，可说明温度变化与应力变化是成线性关系。在早上期间整体上处于应力值减少，说明上顶板压应力减少。在夜间时分随着温度下降量的减少，结构所受应力减少，在这期间内达到相对稳定。温度上升，对结构产生压应力，由于结构是简支梁结构，上部主要受压应力作用，下部主要受拉应力作用，最终导致上顶板所测应力值上升，下底板所测值时拉应力，所测应力值下降。

图4 应力与温度变化日关系曲线Fig.4 Daily Relationship between the Stress and Temperature

1.2.3 港澳大道立交桥应力与温度月关系分析

图5 某测点应力与温度月相关性曲线Fig.5 Monthly Correlation Curve of Stress and Temperature

如图5所示，红色曲线为温度变化曲线，蓝色是应力变化曲线。为了更好表现上下板测点变化趋势数据段由于仅受温度变化这一外界因素影响，本文根据曲线的波动趋势将曲线划分为多个时间段，已达到便于分析的目的。此时结构应力变化与温度变化相关。根据图5⒜可知，随着温度升高，上顶板应力值变小，与上顶板应力值相比，下底板应力值变化是反向的，下底板应力值变大，上顶板变化幅度远大于下底板。此外，每天的变化规律是相似的，由于仅受温度变化这一外界因素影响，在白天时分，随着温度的升高，结构应力值发生变化，在正午时分，结构体室内温度值达到峰值，某测点应力值随之达到峰值。从图5⒜中可知，温度峰值越高，应力值变化值越大。通常在早上及晚上变化速率较快，在凌晨时段变化速率较缓。原因是在早上受到太阳光照射作用下，结构体迅速升温，由于材料特性及边界条件的改变，结构应力发生改变。由于钢箱梁内部时密封环境，结构体温度上升可远高于外界，在晚上时，太阳下山，外界大气温度下降速率较快，结构体与外界进行热交流。温度随之下降。由于上下板的位置不同，导致下底板受太阳照射的影响较小，结构温度变化较小。

从图5 可知，某测点应力与温度变化值存在相关性。通过将温度变化值使用横坐标数值表示，应力变化值使用纵坐标数值表示。从图6可发现绝大部分点落在趋势线上，由此可判断某测点应力与温度变化值存在线性关系，上顶板趋势线的斜率比下底板大。上顶板与下底板相比，温度变化及应力变化值变化区间跨度更大。将顶板及底板温度及应力值进行统计分析如表1所示，钢箱梁最大拉应变（峰值）主要分布在早上时段出现，最小值主要分布在凌晨时段；最小压应变多在出现在凌晨时段，最大压应力（峰值）主要分布在早上至下午。这是由于白天受太阳照射后结构温度上升较快，导致整体钢箱梁所受压应力增大，引起位于钢箱梁下部的下底板拉应变减少，位于钢箱梁跨中的上顶板压应变增大。而根据上文分析可得，结构上半端受压应力作用，下端受拉应力作用，使得图中上顶板应力值增加，下底板应力值减少。上顶板最大应力变化值及最小变化值分别为5.90 MPa 和2.88 MPa，下底板最大应力变化值及最小变化值分别为2.78 MPa 和-1.15 MPa，远小于结构阈值，说明结构受力性能稳定。

表1 某测点相对应力差与温度差统计特性Tab.1 Statistical Characteristics of Relative Stress Difference and Temperature Difference at a Measuring Point

图6 板件测点应力与温度散点Fig.6 Scatter of Stress and Temperature at Measuring Point of Plate

2 结论

⑴在12月份期间，珠海气温变化较小，温度对钢箱梁结构应力的影响较小，荷载作用对其影响较小。大气温度曲线具有导向作用，与各测点相比，变化较为敏感，钢箱梁室内温度及测点曲线段具有滞后性，但波动趋势与大气温度相符。

⑵上顶板的日温度变化较大；下底板温度变化较小，与外界温度较为接近。温度的变化与上顶板应力变化成正相关，与下底板成负相关；当温度上升6 ℃，上顶板产生压应力可达到30 MPa，结果表明温度变化产生的结构应力变化不容忽视。

⑶温度对结构应力作用的影响不容忽视，尤其针对上顶板的影响较为显著。在外界高温的情况下，钢箱梁内部形成较大的温度梯度，在分析某因素对结构应力影响时，剔除温度效应的影响，分析结果将更精确。虽然箱梁的几何形态是对称的，但由于受外界复杂环境的影响，在有限元模拟时根据实测数据输入温度参数是十分必要的。