武汉地区小箱梁桥温度场与敏感性分析研究*

程仁慧 黄 峰 王 莹 王亚飞 龚伟康 杨宏印,

(1.武汉工程大学土木工程与建筑学院 武汉 430074； 2.武汉临空经济区建设投资开发集团有限公司 武汉 430000；3.桥梁结构健康与安全国家重点实验室 武汉 430034)

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，因其独特的结构形式成为现代城市交通不可或缺的重要组成部分[1-2]。

我国幅员辽阔，气候复杂多样，全国各地的气候各不相同，同一地点的气候每时每刻也在发生变化。桥梁处于多变复杂的外部环境中，结构的温度分布也不同[3]。在桥梁位置、外部环境、使用材料及截面形式等因素的影响下，不同结构形式、不同材料的桥梁，其温度分布有着明显的区别，现有研究大多聚焦于单一桥梁，且多以T梁桥为主，缺乏对于小箱梁桥的研究。

影响桥梁温度分布的因素为可变因素和不可变因素。可变因素包括辐射、气温、风速、湿度等气象因素及地震等突发事故和施工、行车等人为影响，本文研究主要讨论气象因素的影响。不可变因素则包括桥梁的材料、结构类型、桥梁走向、海拔等桥梁自身因素。

现有研究表明，对于桥梁可变影响因素来说，太阳辐射、气温、风速对桥梁结构的温差影响最大，且太阳辐射的影响最为显著，桥梁在不均匀的温度分布下将产生较大的温度变形[4-6]。此外，桥梁受到建筑物、树木等物体的遮挡，桥梁结构的温度分布更加复杂。对于桥梁来说，其材料、结构形式等不可变因素是确定的，不会发生太多更改，但气象环境等可变因素却在时刻变化，也在时刻影响桥梁的正常运营使用。

本文以武汉地区高架桥小箱梁部分为研究对象，借Taitherm软件建立该桥梁的仿真模型，由实测与仿真对比，验证了软件分析的合理性。针对可变的气象条件进行研究，通过控制变量法分析影响桥梁结构的气象因素，根据夏季最热月的天气数据进行处理和分析。选出最不利温度梯度，把最不利温度梯度与我国小箱梁桥设计规范进行对比，发现规范在桥梁部分结构是偏不安全的。

1 仿真模型准确性的验证

1.1 工程概况

本文以武汉市某东西走向的高架桥为工程背景，第二部分为等截面混凝土箱梁5×25 m，混凝土小箱梁采用单箱单室截面，小箱梁顶板宽总长13.25 m，左、右翼缘宽0.6 m，小箱梁顶板铺设9 cm厚的沥青混凝土，10 cm厚的C50混凝土调平层，10 cm厚顶板，腹板厚30 cm，底板厚16 cm。实际工程中在小箱梁桥上，布置了温度传感器、振弦应变计及拉绳位移计等各式传感器，用来采集监测小箱梁桥实时温度、应力，以及位移变化情况。传感器采集频率均为10 min/次。其中，混凝土小箱梁上一共布置布设16个温度传感器，桥梁顶板翼缘处布置了2个温度传感器，用于收集顶板温度数据；梗腋处至腹板底一共布置了5个传感器，用于收集沿腹板高度方向温度数据；底板正中间上布置了1个温度传感器，用于收集底板温度数据。混凝土小箱梁桥的温度传感器布置图见图1。

图1 小箱梁温度传感器布置图(单位：cm)

1.2 仿真模型的建立

采用ANSYS软件建立桥梁各个部位的几何模型，利用编译软件Hypermesh作为连接的平台，对模型进行网格划分，转化为ANSYS可读取的文件，最后在热力学仿真Taitherm中赋予材料的特性，导入天气文件，从而进行温度场的计算。小箱梁桥共建立26个面，除底板由Taitherm划分5层外，其余各划分为6层，不同的板front和back所接触的气象条件也不一样，模型一共有17 680个单元，其仿真模型和材料特性见图2和表1。

图2 小箱梁桥仿真模型

表1 结构材料属性表

1.3 仿真与实测对比

Taitherm采用物理方法求解热传导、辐射和对流，在模拟实际桥梁状况时，考虑边界条件，能够模拟到实际三维环境中遇到的温度条件，利用其建立模型后，在模型上赋予实际的天气文件和地理位置及太阳、风和云等的实际情况。根据模型求解出的结果与实际工程监测的温度数据进行对比，验证仿真模型的准确性。

在实际工程中，对桥梁进行为期2年的监测，本桥梁最不利温度分布一般出现在太阳辐射强烈的夏季，特别是对于武汉来说，夏季高温高湿的天气更易使桥梁产生温差[6]。结构所处的位置和太阳所照射强度和时长的不同，桥梁不同结构所产生的温差也是不同的。对于桥面和底板，在白天桥面首先受到阳光照射，温度迅速升高，桥梁底板由于受到遮挡，温度升高时间稍微延后，升温幅度小；在夜晚由于没有太阳辐射，桥面空气流动性较大，温度很快降低，而桥梁底板由于处在下方被遮挡，空气流动性相对较小，故温度降低速度慢幅度小。小箱梁分内室与外表，就底板而言，外表底板与内室底板的温度显然不同，按空间模型考虑，在横向方面，各梁和每梁底板的内外各点的温度也有略微的差别；就腹板内外面的温差，按空间模型考虑，在横向差别较小，在竖向沿高度方向的温差较大，最为明显的为太阳照射，结构所处的高度空气对流程度的不同和翼缘遮挡程度的不同，对结构的竖向温差影响较大。以夏季最炎热的8月为例，腹板和底板实测与仿真温度对比结果见图3。

图3 2019年8月仿真结果与实测数据的对比

由图3可知，混凝土小箱梁温度仿真基准结果与实际监测数据变化趋势大致吻合，验证了仿真模型的准确性。因仿真模型相关参数的赋予和实际桥梁所处环境无法完全一样，故在计算结果上可能会出现一定的偏差，且每月的初始几天会因为边界不收敛，仿真与实测值之差较为明显，其余时间段桥梁不同部位温度变化吻合度都很高，说明所建的仿真模型可以作为计算温度场的基准模型[7]。

2 影响温度梯度的气象因素

气象因素是影响桥梁日照温度场的主要因素之一，在气象因素中，气温、风速和辐射对桥梁温度梯度影响较大。为了解这3种气象因素对桥梁的影响程度，基于实际工程模型，采用控制变量法分别研究各气象因素对混凝土箱梁的影响，利用化“1”原则，以7-9月份桥梁实际气象条件为基准，将影响气温的3个参数相对于基准环境条件进行折减，根据参数折减的强度算出相应的最不利温度梯度与初始条件下温度梯度对比。

气象因素对小箱梁竖向温度的影响见图4，基于建立的混凝土小箱梁仿真模型，采用控制变量将2019年7-9月的气象数据依次按20%的等差进行递增，其余的参数保持一样，分别计算气温、风速和辐射对桥梁竖向温度的影响。图中0.6表示外部条件在其他条件不变的情况下，控制单一影响因素为实际环境状态下对应因素的60%竖向温度曲线，0.8,1.2,1.4曲线同理。

图4 气象因素对小箱梁竖向温度的影响

由图4b)可知，气象因素中辐射对桥梁的竖向温度影响最大，气温第二，风速影响较小，同时从图4 a)和 c)可看出，气温和辐射与桥梁竖向温度梯度成正比，风速则与竖向温度梯度成反比，三者对桥梁竖向温度梯度的影响主要集中在梁顶和梁底。对影响桥梁竖向温度梯度的参数进行数值分析，温度梯度模式数值对比结果见图5。

图5 温度梯度模式数值对比图

由图5可见，当气温增加(减少)20%时，混凝土小箱梁竖向正温差增加(减少)5%，最大负温差增加(减少)8%；当风速增加(减少)20%时，混凝土小箱梁竖向正温差减少(增加)4%，最大负温差减少(增加)8.4%；当辐射增加(减少)20%时，混凝土小箱梁竖向正温差增加(减少)15%，最大负温差增加(减少)19%，研究发现，正、负温度相比，梁底负温差对气象参数的敏感性更高。辐射、气温和风速对桥梁结构均有影响，辐射、气温和风速改变的越大对桥梁结构的影响也就越大，辐射和气温强度越大，结构的温度梯度也变大，风速强度越大则温度梯度变化变小，反之亦是。

3 最不利温度梯度

由于本文混凝土小箱梁采用的是90 mm厚的沥青铺装层，依据我国现行JTG D60-2018 《公路桥涵设计通用规范》，计算对于桥梁结构由于竖向温度梯度引起的效应时，采用双折线形式的竖向温度梯度曲线，由于规范中所规定的数值是根据桥面铺装层的厚度来决定且规定的沥青铺装层厚度为50 mm和100 mm[8-9]，但本桥采用90 mm铺装层，因此根据内插法可算出此小箱梁的T1=15.2 ℃，T2=5.74 ℃。

从现有研究来看[7-8]，桥梁最不利温度分布一般出现在太阳辐射强烈的夏季，对于武汉，夏季高温、高湿的天气和冬季寒冷天气更易使桥梁产生最不利温度分布。通过计算实测平均气温，得出2019年最低平均气温在1-3月份，最高平均气温在年7-9月份；本文对1-3和7-9共6个月份数据按小时进行分析，在4 416个数据中可判断出8月13日14：00时和1月19日03:00时，是温差达到最大值的时刻，本文以最大时刻的温度梯度作为夏季最不利温度和冬季最不利温度分别与我国规范对比，在验证规范合理性的同时给予武汉市小箱梁桥温度梯度提供参照，实测与规范对比结果见图6。

图6 小箱梁温度梯度实测与规范值对比

由图6可见，规范在竖向温度曲线上的规定在对于混凝土桥梁的底板处是偏不安全的，应该引起制定规范人员的重视。

4 结语

1) 对武汉市某混凝土小箱梁桥温度场和气象数据进行长期监测，采用热力学软件建立小箱梁的仿真模型，并对实时监测数据进行收集、处理和分析，结果表明，实测与仿真模型吻合程度较好，说明用该软件计算和分析桥梁问题有较高的准确性。

2) 在武汉市对小箱梁气象参数通过控制变量法和化“1”原则，分别研究各主要气象参数对小箱梁的影响，结果表明主要气象因素中辐射对日照下箱梁竖向最大温度梯度影响最大，气温次之，风速影响最小，同时表明气温和辐射与竖向温度梯度呈正比，风速与竖向温度梯度呈反比。

3) 通过对小箱梁桥夏季和冬季实时数据进行处理分析，得出最不利温度梯度出现的时刻且与我国现有规范进行对比，对比发现现行城市桥梁设计规范的温度梯度曲线在混凝土小箱梁的底板处是偏不安全的，以此为本市小箱梁的设计人员提供参照，也希望引起规范制定人员的重视。