温度场对无铺装钢箱梁斜拉桥影响分析

王阳殷立辉张云康朱博文

（1 黑龙江大学水利电力学院；2 黑龙江大学建筑工程学院）

0 引言

随着科技的发展，人们发现钢箱梁具有质量轻、抗扭强、强度高、等优点。因此，在大跨度斜拉桥和悬索桥中经常被使用。但由于钢材对温度的敏感性较强，钢箱梁受太阳热辐射后会产生较大的位移和应力。同时，我国桥梁规范[1]中所采用的竖向温度梯度模式，不适应没有桥面铺装的情况。为保护桥梁的安全，研究无铺装钢箱梁温度梯度显得尤为重要。对斜拉桥主梁温度效应影响，目前世界上很多国家都在进行研究。

Walter H.Dilger 根据暴露在太阳辐射下的桥梁结构，预测太阳辐射下作用下梁桥的温度分布，通过相应的参数分析，确定结构产生的温度影响的差异[2]。美国学者Hoffman 等人根据现场观测某一座混凝土钢箱梁温度监测数据，对新西兰规范及PCI-PTI 规范采用的设计温度分布进行了修正[3]。

我国学者方志等在观测华东地区桥梁后，提出了一种在适合华东地区的箱梁竖向和横向温度梯度模式[4]。孙君等对润扬大桥悬索桥和斜拉桥钢箱梁的温度进行观测，定性分析了扁平钢箱梁在日照作用下的温度分布特征[5]。

1 工程概况

该桥梁位于吉林省东部延吉市东侧，延龙图新区内设计里程K2+77.831-K2+697.831，其中主桥长260m。

桥梁为钢箱梁主梁，混凝土主塔结构。渐变式箱梁，宽度为27m～33m，箱梁中心梁高3.0m，箱梁顶底板和腹板的厚度范围16～36mm。桥梁双向四车道布置，两侧分别设置机动车道和人行道。该桥立面图见图1。

图1 桥梁立面图（单位：m）

2 测点布置及测量仪器

2.1测点布置

该斜拉桥采用逐段吊装焊接的方式进行钢主梁施工，主梁温度场观测选取中跨最先施工段作为观测对象。由于该钢箱梁焊接施工，若在钢箱梁顶底板和外表面粘贴传感器容易影响焊接。对于该桥梁来说主梁顶底板和腹板厚度较薄，最大厚度为36mm。同时钢材热传导性能良好，因此将温度传感器粘贴在梁顶底板和腹板的内外表面[6]。温度测点布置如图2所示。

图2 观测截面温度测点布置

2.2测量仪器和时间

该桥梁选用JMZX-3001B 综合测试仪和JMT-36C 型温度传感器进行温度测量[7]。由于夜晚温差波动较小，考虑到实测数据的科学性和工作人员在夜间测温的安全性，因此采集时间为早上6 时开始，每隔2h 采集一次测点温度，午夜24时结束温度采集。

3 测试结果分析

为探究温度对钢箱梁的影响，使数据具有代表性，给出5～6 月份钢箱梁顶底板最大温差变化趋势，如图3 所示。选取晴朗天气6 月5 日、6 月22 日和阴天2018年5月29日、6月19日的温度采集数据作为代表研究夏季钢箱梁温度场规律[8]。

图3 顶板与底板最大温差图

3.1钢箱梁整体温度分布情况

太阳辐射和外界大气温度是影响钢箱梁的主要因素，本文选取延吉市夏季天气晴朗和阴雨天气，观测记录该桥主梁的温度变化。6 月5 日和6 月22 日，环境温度为18.3～34.8℃，天气晴朗，太阳辐射强；5月29日和6月19日，环境温度为12.4～25.3℃，天气阴，太阳辐射较少。将图2 测点的数据进行处理，得到不同天气下钢箱梁顶底板实测平均温度和环境温度。

根据温度实测结果可得，6 月5 日和6 月22 天气晴朗，太阳辐射大，顶板从6点到14点温度迅速上升，并在10 点左右超过环境温度，14 点到24 点顶板温度迅速下降。底板从6 点到16 点温度上升且低于环境温度，在16 点到24 点温度下降且高于环境温度。在中午14 点时，钢箱梁顶底板温差达到最大值20oC 左右。夜晚24时至早上6 时，顶底板温度相差较小为2～3oC。5 月29日和6 月19 日天气阴，太阳辐射小，6 点到14 点顶底板温度上升，14点到24点温度下降，且与环境温度趋势相同，顶板温度相差较小。

3.2钢箱梁沿横桥向温度变化情况

顶板直接受太阳辐射影响，温度变化较大；而腹板和底板只受环境温度和钢材热传递影响，温度变化较稳定。因此，选择6 月5 日和6 月22 日顶板温度监测点T内1、T内3、T内5、T内6、T内8、T内10、T内12的温度数据，研究顶板横向温度变化。

由于不同时刻太阳辐射角度不同，温度趋势由桥梁中线向两侧逐渐平缓。桥梁中线两侧测点T内5和T内8温度变化最大，桥梁两侧测点T内1和T内12变化最小，测点最大温差可达25oC。中线测点T内6温度小于测点T内5和T内8，分析原因可能是中线位于最高点易受空气流动的影响。

3.3竖向温差分析与温度梯度方程

选取6 月5 日和6 月22 日的外腹板测点T内1、T内13、T内14、T内23温度变化进行分析，根据温度实测结果可得，竖向温度随着距顶板距离越远，温度越低，最高温度T内1和最低温度T内23之间最大温差为4oC。同时，离顶板距离越近波动越大，容易受到环境温度影响。

为确定无铺装钢箱梁温度梯度方程，利用最小二乘法对实测数据进行回归分析[9]。得到腹板沿其截面高度方向的梯度方程如下。

式中：

T0——与腹板对应的顶板上温度测点的实测温度，单位℃；

y——腹板上温度测点距顶板的距离，单位mm。

4 有限元分析

4.1有限元模拟

该斜拉桥采用逐段吊装焊接的方式进行钢主梁施工，日照引起的温度场在顶板和底板之间产生较大的温差，引起钢箱梁位移。为确定桥梁的安全，选择桥梁博士有限元软件建立斜拉桥模型，探究温度场对钢箱梁拼装的影响，如图4所示。

图4 桥梁博士斜拉桥模型

4.2温差对顶底板位移的影响

打开桥梁博士截面信息，选择截面定义。在梯度温度模式中勾选线性温度1，将6 月22 日顶底板最大温差时刻的顶板温度和底板温度分别输入上缘温度和下缘温度中。再打开施工分析，选择钢箱梁焊接阶段，梯度温度中加入线性温度1。进行计算，得出6 月22 日最大温差对钢箱梁产生的位移。如图5所示。

图5 6月22日温度引起的桥梁位移

由图5 可知，顶底板温差对钢箱梁拼装的主要影响在桥梁端部。在中午12～14 时钢箱梁顶底板温差达到最大，温差使钢箱梁产生多方位的位移。其中，上下位移正负差达到5.12mm。在端部产生向下的最大位移，在跨中部分产生向上的最大位移。

4.3温差对顶底板应力的影响

使用桥梁博士软件对钢箱梁斜拉桥进行计算，得到6月22日顶底板由于温差产生的正应力，如图6所示。

图6 6月22日顶底板应力

由图可知，上下翼缘温差使钢箱梁顶底板产生较大的正应力。其中桥梁端部应力差值最大，达到185MPa左右。同时，底板端部产生了最大压应力31.27MPa，桥梁跨中部分产生最大拉应力207.35MPa。

5 结论

通过分析钢箱梁温度场数据，结合有限元分析，可得到结论和建议如下：

⑴钢箱梁受温度影响较大，白天太阳辐射产生正温差，顶板温度远远大于底板温度；晚上钢箱梁散热产生负温差，底板温度略大于顶板。同时，由于热传递的存在，底板温度上升和下降比较平缓。

⑵受桥梁角度和太阳照射角度影响，斜拉桥横向温度分布并不平均，中间部分温度高于边缘温度。对温度高的地方施工中应进行处理，防止长时间温差对钢箱梁产生破坏。

⑶通过对钢箱梁实测温度的回归分析，得到无铺装钢箱梁施工期间温度梯度模式，为钢箱梁的施工提供基础。

⑷钢箱梁受温度影响会产生位移和应力。主梁端部产生向下位移和最大压应力，在跨中产生向上的位移和最大拉应力。温差对桥梁位移影响较小，但会对桥梁产生较大的应力。在夏季晴朗天气下，应注意顶底板温差对施工期间主梁内力的影响。