梯度温度对钢箱梁应力影响的测试和分析

王 哲

（中交三航局第三工程有限公司，江苏南京 210011）

引言

自然环境下对结构产生影响的温度作用有三种：季节温度作用、日照温度作用和骤然升降温作用，而日照作用下产生的温度梯度作用对无铺装层钢箱梁的影响最大，其温度场也最为复杂。由于钢箱梁导热性能好，钢箱梁表面温度变化趋势跟大气温度变化基本一致，但是由于钢箱梁结构尺寸、桥位走向和太阳辐射角度等因素造成钢箱梁各表面吸收的太阳辐射是不尽相同。由此导致钢箱梁截面在竖向形成较大的温差，从而形成温度梯度。

由于温度梯度作用对桥梁结构的损害逐渐被工程人员发现，国内外学者开始研究温度应力对桥梁结构的影响，学者们依据温度实测数据，制定了适用于本国各地区的温度梯度模式，最终形成业界规范条文。

但是各国的气候条件、地理位置、太阳辐射强度、日照长度以及桥梁结构等因素差异较大，造成各国制定的规范也各有差异。同时，近年来随着有限元软件的发展，国内外学者根据实测数据和有限元软件对温度梯度进行研究，认为在高温天气和骤然降温的情况下，钢箱梁温度梯度分布不是简单的线性函数关系，采用分段函数形式较为合理。

1 项目背景

根据南京市滨江风光带绿道规划，本项目自西向东，起于和记洋行，跨越金川河，毗邻大桥公园，全长约900 m。道路等级为人非专用道。沿线主要设有主线曲线、圆环辅桥各一座，本文针对圆形辅桥进行展开。辅桥桥跨布置为4.35+2×27.75+37（跨金川河）+2×27.75+4.35 m，桥面全宽6 m。

图1 圆环辅桥钢箱梁三维示意

辅桥主梁采用连续箱梁结构，全线等高等宽，桥宽6 m，梁高1.6 m，横桥向对称布置2个独立的单箱单室，2个箱室之间通过横梁连接协同受力，横梁沿桥梁纵向1.5 m间距布置，箱梁之间布置3 m宽桥面玻璃，玻璃采用三层钢化夹胶玻璃。每个箱梁顶板宽1.5 m，底板宽0.7 m，内侧腹板垂直布置，外侧倾斜腹板布置，与顶底板采用线性直线过渡。箱梁顶板厚度16 mm，箱梁底板厚度16 mm，箱梁腹板厚度14 mm。

2 基于不同规范的温度梯度影响分析

由于我国现行的《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）基本借鉴了美国AASHTO中关于温度梯度作用的方法，而英国BS5400规范对桥梁结构温度作用的规定更为详细，不同的桥梁结构型式采用相应的竖向温度作用。英国BS5400桥梁规范将桥梁按结构型式分成四种类型来分析竖向温度分布，具体分类如下：

第一类：钢箱梁上铺设钢桥面板；

第二类：钢桁架梁或钢板梁上铺设钢桥面板；

第三类：钢箱梁以及钢桁架梁或钢板梁上铺设混凝土桥面板；

第四类：混凝土梁或混凝土箱梁上铺设混凝土桥面板。

并分别规定了相应的竖向温差分布，包括从太阳辐射吸收热量引起的正温差，和由于结构表面向外界散发热量所引起的负温差，对于不同的桥梁结构类型，其中钢箱梁的温差分布模式如图2所示。

图2 英国BS5400规范钢箱梁温度梯度作用分布

英国BS5400规范的正温差分布Ty+由上部四折线组成，即：

式中：y为计算点至梁顶的距离（m）。

该桥铺装层为厚度6 mm的沥青铺装层，厚度较小，忽略其铺装层厚度，按照第一类结构型式进行分析。在Midas Civil中施加梁截面温度作用，顶板上表面、顶板的下表面、距顶板距离0.1 m、0.3 m、0.6 m和底板六个位置的截面温度，自上而下分别为30℃、27.76℃、16℃、6℃、3℃和0℃。

图3 中国规范钢箱梁温度梯度作用分布

图中：y为距面板的距离；t为铺装高度，且100＜t＜100+A，A为温差梯度区段尺寸，当上部为混凝土且h≥400 mm时，A=300 mm，h＜400 mm时，A=（h-100）mm，当混凝土桥面板为钢结构时，A=300 mm。

表1 中国规范JTG D60-2015的温差基数

在Midas Civil中施加梁截面温度梯度作用，其中，顶板上表面、顶板的下表面、距顶板距离0.1 m、0.4 m和底板五个位置的截面温度，自上而下分别按照25℃、22.4℃、6.7℃和0℃进行施加，得到不同规范下的钢箱梁组合应力分布图。

为了描述位置方便，按照顺时针方向对桥墩进行编号，顺时针方向分别为0#墩、1#墩，以此类推；对支座外弧、内弧分别编号1、2，支座编号即0-1#、0-2#、1#、2#、3#、4#、5-1#、5-2#支座。

按照英国BS5400和中国JTG D60-2015中规定施加温度梯度作用，由表2可以看出，温度作用对轴向应力、Sby影响较小；其中，中英规范温度作用下，第三跨Sby均内弧受拉，外弧受压。

表2 不同规范下钢箱梁最大应力

由于中国规范相对于英国BS5400规范中温度梯度，中国规范的温度梯度数量较少，离顶板底部距离超过400 mm处的温度即没有变化，而英国BS5400竖向温差减小速率相对较低，分4段温度逐段降低，温差产生的组合应力较大。

3 基于实测数据的温度梯度影响分析

1）监测仪器。红外测温枪，精度±0.1℃。

2）监测位置。钢箱梁对温度敏感，为了充分考虑温差对钢箱梁的影响，同时结合实桥测试采集工作的便捷性，选择在边跨钢箱梁外侧腹板作为测试断面。

3）测点数量。选择钢箱梁沿选取截面竖向进行温度监测，为了准确地反映钢箱梁的截面温度梯度情况，沿截面竖向加密布置测点，间隔距离为10 cm，梁高1 600 mm，测点共布置16个。

4）监测时间。为反映钢箱梁温度梯度作用的实际情况，选取日照影响突出的晴朗天气，具体监测时间段为上午9:00至下午17:30（温度趋于稳定）。分成9:00、11:00、12:30、15:30、17:30共5个测温时刻，分析一天中不同时刻下温度梯度作用对钢箱梁应力的影响。通过测量腹板位置的温度变化，统计一天中5个具有代表性时刻的梯度温度值，如表3所示。

表3 实桥梯度温度变化表/℃

图4 不同时刻腹板温度随顶板距离变化

5）有限元温度梯度分析

通过Midas Civil软件结合实桥监测的温度数据对圆形辅桥施加竖向实桥温度梯度作用。

不同时刻下不同位置的内外侧最大组合应力差值数据如表4所示，其变化趋势如图5所示。

表4 不同位置内外弧侧应力差值/MPa

图5 内外弧最大组合应力差值随墩号分布

可以看出，在1#墩、4#墩附近，内弧侧最大组合应力小于外侧，而0#墩、2#墩、3#墩、5#墩附近内侧大于外侧，具体最大应力数值如表5所示。

表5 不同时刻下钢箱梁桥最大应力/MPa

绘制点线图如图6所示。

图6 不同时刻下各应力变化

可以看出，该环形辅桥轴向应力和Sby一天中随着时刻的变化较小，基本维持在10 MPa之内，而组合应力和Sbz随时间的变化波动较大，应力值介于-30～-70 MPa之间。

4 结论

1）应力的差异。轴向最大应力与以中、英规范规定的温度梯度作用模拟下的最大应力较为接近。实桥监测的轴向应力、Sby差异较小，均位于10 MPa之内；而Sbz和组合应力差异较大，应力值介于-30～-70 MPa之间。

2）规范差异。由于中国规范相对于英国BS5400规范中温度梯度段划分的数量较少，离顶板底部距离超过400 mm处的温度即没有变化，英国BS5400规范竖向温差分4段温度逐段降低，温差产生的组合应力较大。

3）内外弧受力差异。在温度梯度作用下，内外弧受力存在差异，在1#墩和4#墩附近，内弧侧最大组合应力小于外侧，而0#墩、2#墩、3#墩和5#墩附近内侧大于外侧。1#墩和4#墩为单支座（约束能力较小），2#和3#墩为墩梁固结（约束能力较大），内外弧应力差异与边界条件的约束能力有关。

4）本文研究对象为主墩采用墩梁固结的圆形辅桥梯度温度影响，为类似桥梁设计与施工提供了借鉴依据。