气候环境因素作用下预应力混凝土箱梁桥温度场分析

王文利，陈松男，张文娇，简家硕，孙悦

（1.吉黑高速山河至哈尔滨段工程建设项目办，哈尔滨 150080；2.黑龙江省公路建设中心，哈尔滨 150080；3.黑龙江大学建筑工程学院，哈尔滨 150080）

0 引言

公路交通建设作为我国基础民生的工程之一，与社会经济发展有着十分密切的联系。随着当前城市化建设速度的不断提升，公路交通建设的速度也在不断加快，有效推动了经济的不断发展，成绩斐然。并且混凝土箱梁桥由于其新型材料和创新设备以及新技术的广泛应用，使得其结构性能得到了大幅提升，具有较强的跨越能力，已成为桥梁的主要梁体形式。混凝土箱梁桥的建设在取得巨大成就的同时，也面临着许多亟待解决的难题[1,2]。其中，对于混凝土箱梁温度场和温度作用效应的研究受到了国内外学者的高度重视[3～5]。混凝土材料不同于钢材，其导热性能较差，并且混凝土箱梁桥会长期暴露于露天环境中，在太阳辐射、气温变化、风速和气压等气候环境因素作用下，混凝土箱梁内部温度分布呈现出非线性特征[6]，产生较大的温度应力和变形[7，8]。这种由温度作用产生的应力和变形进一步造成了裂缝的开展和延伸，严重影响混凝土箱桥梁的安全性和耐久性。影响混凝土箱梁的因素较多，环境因素是不可忽略的因素之一[9]，因此环境因素对混凝土箱梁温度梯度的制定具有重要意义。

环境因素对箱梁温度场的影响较大，气候环境因素主要包括太阳辐射强度、大气温度、箱内温度及风速等。文中以某匝道桥-预应力混凝土组合箱梁桥为工程背景，基于现场观测数据和有限元模型分析，分析在梁高和腹板板厚方向的温度分布特点和变化规律，系统分析了环境因素对混凝土箱梁温度效应的影响，对类似桥梁的温度应力设计计算具有指导意义。

1 工程背景

项目温度场的研究以某匝道桥为工程背景，桥梁孔径布置为5×2500cm，上部结构采用预应力混凝土简支转连续组合箱梁，桥梁全长12777cm，交角90°，下部结构采用肋板式桥台，盖梁柱式桥墩，基础采用钻孔桩基础。桥面布置为75cm 护栏+750cm 行车道+75cm 护栏=900cm，横向布置三片箱梁。桥梁立面、横向、断面布置如图1 所示，其中跨中附近断面详细尺寸见图1（c），顶板、底板和两侧腹板的厚度均为18cm。

图1 桥型布置图（单位：cm）

2 温度场监测方案

2.1 温度测点布置

混凝土箱梁温度场的变化突出的情况一般为箱梁的竖向和横向温差情况。箱梁竖向温差主要考虑顶板位置的上缘和底板位置的下缘，箱梁横向温差考虑腹板内侧和外侧。选取该匝道桥第5 跨作为试验跨，测试断面距离4 号墩中心位置为10m，如图1（a）所示，在测试断面中选取日照强烈的一侧边梁作为试验梁，如图1（c）所示。温度测点布置如图2 所示，其中1和2 测点布置在顶板位置，3、4 和5 测点布置在腹板中部，6 和7 测点布置在底板位置，箱梁竖向和横向温差的分布情况可以通过分析图2 中靠近日照一侧腹板的特征温度测点的数据得到。

图2 温度特征点布置

2.2 温度传感器和测试设备

选取PT100 温度探头作为测温元件，测试精度平均为0.16℃，最大不超过0.5℃，测试范围覆盖-40℃～120℃区间，如图3（a）所示。采集设备Jinko7000 多路温度记录仪，可以同时记录8～64 路的温度数据，采集精度为±0.5℃，如图3（b）所示。PT100 温度探头安装如图4 所示。

图3 温度传感器和采集设备

图4 PT100 温度探头安装

3 有限元模型的建立

采用ABAQUS（2021）有限元软件对5×2500cm 预制混凝土连续组合小箱梁桥实桥建模，采用solid 单元建立连续组合小箱梁桥实桥模型。首先在CAD 中绘出箱梁横截面形状，将该文件另存为DXF 文件，然后再将该截面文件导入ABAQUS 有限元软件中，长度设为12500cm，划分网格时，将网格大小设置为5cm，采用C3D8R 单元类型。有限元模型示意图见图5。

图5 有限元模型的建立（单位：cm）

4 结果与分析

4.1 太阳辐射强度影响

夏季太阳辐射强度大，冬季辐射强度小，秋季辐射强度居中，分别选取夏季、秋季和冬季的某天测试箱梁顶板、腹板和底板受到的太阳辐射强度。夏季6月10 日、秋季9 月13 日和冬季12 月16 日3d 不同时刻的太阳辐射强度测试结果，如图6 所示。

图6 箱梁顶板、腹板和底板太阳辐射强度

从图6 中可以看出，在时间相同的情况下，箱梁顶板的辐射强度远大于腹板和底板的辐射强度，其中腹板和底板的辐射强度相差不大。在同一天中随着日照的变化，顶板、腹板和底板均表现为先增大后减小的趋势，在中午12 时辐射强度达到最大值。不同季节太阳辐射强度不大，但顶板位置辐射强度差别最大，这是由于顶板可以受到太阳直射，以12h 为例，夏季6月10 日、秋季9 月13 日和冬季12 月16 日的辐射强度分别为863.2、648.4 W/m2和253.2 W/m2，分别记录这3d12h 测点1～7 温度数据，试验结果如图7 所示。

图7 辐射强度对箱梁温度分布的影响

从图6 和图7 中可以看出，从夏季到冬季，辐射强度逐渐降低，对顶板温度（测点1）和箱梁上缘温差（测点1 和4 的差值）影响很大，均呈现出逐渐降低的趋势，对腹板表面温度（测点3）、底板温度（测点7）、横向温差（测点3 和4 的差值）、下缘温差（测点6 和7的差值）影响较小。

4.2 大气温度影响

大气温度的影响主要包括平均温度和日较差，但平均温度对箱梁顶板、腹板和底板的温差较小，主要需要考虑日较差的影响。取平均温度相同，日较差分别23、13℃和3℃的3 种工况进行分析，分析结果如图8 所示。从图8 中可以看出，大气温度对箱梁外表面温度（测点1、3 和7）影响较大，对腹板中部（测点4）、箱内表面（测点5）温度基本没有影响，对箱梁竖向温差及横向温差影响主要是箱梁外表面温度引起的。

图8 大气温度对箱梁温度分布的影响

4.3 箱内温度影响

混凝土箱梁温度场的影响与箱内温度有一定的关系，对以下4 种工况进行考虑：

工况1：箱内温度随时间变化，取箱内实测温度作为分析依据，如图9 所示，温度平均值约为24℃，波动值约为6℃。

这种模式适用于后方陆域宽敞且具有一定规模的港口或码头群。1997年宁波港利用世行增、贷款建成了环保专用码头、环保船、船舶固体废弃物处理厂和油污水处理厂等设备设施。此外宁波炼油厂码头配备了储罐，化学品洗舱废水由罐车转运至生产厂区处置，其年接收能力按罐车转运能力估算为7300t。

图9 箱内实测温度

工况2：假设箱内温度与时间无关，不随时间变化，箱内温度假定为24℃。

工况3：假设箱内温度与时间无关，不随时间变化，箱内温度假定为18℃。

工况4：假设箱内温度与时间无关，不随时间变化，箱内温度假定为30℃。

4 种工况箱梁各测点的温度结果如图10 所示。从图10 中可以看出，箱内温度只对箱梁内表面温度（测点5）有较大影响，对其他测点的温度基本没有影响，在分析计算时可以不考虑时间的影响，箱内温度简化为平均温度输入。

图10 箱内温度对箱梁温度分布的影响

4.4 风速影响

风速的作用对混凝土箱梁与空气两者之间的综合换热系数有一定的影响；具体表现在，综合换热系数会随着风速的变化而发生变化，从而风速对混凝土箱梁的温度分布产生影响。对于同一个箱梁，不同位置处风速也有较大差别，尤其是箱梁顶板、底板和腹板3个位置，考虑以下3 种工况进行分析见表1。

表1 不同风速作用各位置处综合换热系数

3 种工况箱梁各测点的温度结果如图11 所示。从图11 中可以看出，风速对箱梁外表面温度有轻微影响，但影响很小，对内表面温度基本没有影响。

图11 风速对箱梁温度分布的影响

5 结语

文中以某座实际桥梁为工程背景，基于温度测试和有限元模型，系统分析了环境因素对预应力混凝土组合箱梁桥温度分布的影响，可以得到如下结论：

（1）从夏季到冬季，辐射强度逐渐降低，对顶板温度和箱梁上缘温差影响很大，均呈现出逐渐降低的趋势，对腹板表面温度、底板温度、横向温差和下缘温差影响较小。

（2）大气温度对箱梁外表面温度影响较大，对腹板中部、箱内表面温度基本没有影响，对箱梁竖向温差及横向温差影响主要是箱梁外表面温度引起的。

（3）箱内温度只对箱梁内表面温度有较大影响，对其他测点的温度基本没有影响，在分析计算时可以将箱内温度简化为平均温度。

（4）风速对箱梁外表面温度有轻微影响，但影响很小，对内表面温度基本没有影响。

在实际桥梁工程建设当中，应着重考虑太阳辐射对箱梁桥的温度效应，在这种温度效应作用下箱梁顶板温度与腹板和底板温度的温差比较大，很有可能引起箱梁腹板和底板的开裂，对桥梁的安全性、适用性和耐久性造成影响，这也会导致一系列桥梁病害问题的发生。