無鋪裝層扁平預應力混凝土連續梁的溫度梯度研究

李自林，李長輝，陳國勝，張文卷

（1.天津城建大學土木工程學院，天津 300384；2.天津大學建筑工程學院，天津 300072；3.中鐵十八局集團第二工程有限公司，河北唐山 064000）

無鋪裝層扁平預應力混凝土連續梁的溫度梯度研究

李自林1，李長輝2，陳國勝3，張文卷3

（1.天津城建大學土木工程學院，天津 300384；2.天津大學建筑工程學院，天津 300072；3.中鐵十八局集團第二工程有限公司，河北唐山 064000）

溫度應力是影響大跨徑橋梁結構使用性能的最主要因素之一，準確的溫度場分布模型是計算結構溫度應力的基礎．基于子牙河特大連續梁橋監測數據的分析結果，得出截面不同位置溫度隨時間的變化規律，提出了無鋪裝層扁平混凝土箱梁豎向、橫向溫度梯度擬合公式，并應用ANSYS軟件進行數值模擬．結果表明：扁平混凝土箱梁橫向溫度分布具有明顯的對稱性，頂板橫向不同位置溫差較大，腹板和底板位置橫向溫差較小；豎向溫度梯度可以用指數函數加一次函數的形式進行擬合；橫向溫度梯度可以用一次函數分段表示，所得結論對于類似橋梁的理論研究、設計及施工具有很好的參考價值．

橋梁工程；扁平預應力混凝土箱梁；日照溫差效應；溫度梯度

0 引言

日照溫度變化對橋梁結構影響顯著，確定其合理的溫度場是對日照溫度變化引起的結構響應進行分析的前提和關鍵．我國的《鐵路橋涵設計基本規范》(TB10002.1-2005)只給出了有鋪裝層混凝土梁溫度梯度公式．對于無鋪裝層混凝土箱梁而言，由于橋面板直接受到太陽照射，溫度變化將更加顯著．

目前，國內外對于混凝土箱梁溫度梯度研究較多，對無鋪裝層混凝土箱梁溫度梯度的研究較少．對混凝土箱梁豎向溫度梯度研究較多，對其橫向溫度梯度研究相對較少．文獻[1]和文獻[2]對施工階段無鋪裝層箱梁溫度場進行了研究，但主要偏重于考察日照溫差對施工階段結構線形和內力的影響，并未給出無鋪裝層箱梁溫度場的梯度模式．文獻[3]著重對混凝土箱梁的豎向溫度梯度進行研究，并未考慮混凝土箱梁橫向溫度梯度的影響．隨著混凝土箱梁在大跨徑連續梁橋和斜拉橋中的廣泛應用，為了較準確地考慮日照溫度變化對無鋪裝層混凝土箱梁的影響，對其日照溫度場進行深入的研究顯得尤為迫切．

本文以津保鐵路引入天津西站工程子牙河特大連續梁為工程背景，對其無鋪裝層混凝土箱梁進行了為期半年的現場監測，并對實測溫度進行計算和比較；采用指數函數加一次函數的形式對無鋪裝層混凝土箱梁豎向溫度梯度進行了擬合，采用一次函數的形式對橫向溫度梯度進行了擬合，并借助軟件ANSYS對擬合的豎向、橫向溫度梯度曲線進行對比驗證．

1 扁平箱梁溫度測點布置及測試結果分析

現場實測對象為在建津保鐵路引入天津西站工程子牙河特大橋道岔連續梁，主橋跨徑30.226 m+ 1 131.176 m+30.226 m，東西走向．橋梁上部結構為單箱多室預應力混凝土箱梁，采用C55混凝土，箱梁頂板梁寬23.2 m，懸臂寬1.9 m，橋面等高度3 m，具體尺寸如圖1所示．由于橋梁結構對稱，選取1/2結構布置測點，圖2為津保鐵路引入天津西站工程子牙河特大橋道岔連續梁溫度監測斷面的傳感器布置示意圖，測試斷面為連續箱梁的跨中斷面，每個斷面共有23個溫度測點，本文選取單箱四室箱梁的一跨跨中斷面的溫度監測數據進行分析．

圖1 箱梁截面尺寸圖Fig.1 Box beam section size

圖2 溫度傳感器布置圖Fig.2 Thermal observation points position

對津保鐵路引入天津西站工程子牙河特大橋道岔連續梁2014年5月～10月的溫度監測數據進行分析．以2 h為基本時距對溫度數據進行整理分析．研究發現，一日大氣溫度的實測曲線是類似正弦曲線，在此規律的基礎上，選取50 d天氣良好的溫度實測數據進行研究，得出橋址地區溫度數據的統計分布特征．

圖3 橋址環境溫度Fig.3 Environmental temperature around the bridge

圖3為橋址環境溫度實測結果（10月5日、10月6日），從10月5日早上8時開始記錄．第1日大氣溫度最大溫差為6℃，梁頂日最大溫差為1.9℃，梁底日最大溫差為0.5℃；第2日大氣最大溫差為9℃，梁頂日最大溫差為1.7℃，梁底日最大溫差為0.5℃．實測結果表明，梁頂由于受到太陽的直接照射，其氣溫變化幅度明顯，一日大氣最高溫度出現在14:00，但梁頂的最高溫度第1天出現在16:00，第2天也出現在16:00，以往研究表明，混凝土是熱的不良導體，在外界氣溫等邊界條件發生變化時，需要一定時間才能對板件內部的混凝土產生影響[4]．實測數據表明，梁體的溫度并未隨大氣溫度變化而立刻變化，而是出現了明顯的滯后現象，滯后時間平均在2 h左右．由于翼緣板的存在，腹板、梁底不能受到太陽的直接照射，在一日之中溫度基本穩定，保持在23～25℃．

圖4為梁截面各測點的實測溫度．由實測數據發現，橫向分布的各等高測點具有相同的溫度變化規律，在一天中的同一時刻達到溫度的峰值，且溫度變化曲線趨勢相同．腹板和底板溫度變化較小，基本不變，相對于腹板和底板測點，梁頂各測點溫度隨外界溫度變化明顯，且存在較大的橫向溫差，越接近截面中部，測點溫度越高，最大橫向溫差為4℃．

圖4 等高測點溫度比較Fig.4 Equal altitude temperature comparison

2 豎向溫度梯度模式

在混凝土箱梁橋中考慮日照溫度場對梁體影響時，一般取梁體頂板、底板產生最大溫差時所對應的豎向溫度梯度進行研究．為此，針對津保特大鐵路橋進行為期半年的數據測量，提取其中日照最強烈、規律性較強的50組數據進行分析，結合以往研究經驗，應用最小二乘法擬合箱梁豎向實測溫度數據，最終確定扁平箱梁豎向溫度梯度擬合公式(1)，如圖5所示，距離梁頂1 m范圍內按指數函數形式擬合，1～2 m范圍內按線性形式擬合，2 m以上豎向溫差為0．

式中：T1和T2為扁平箱梁豎向溫度梯度基數，T1=25，T2= 10；y為測點到梁頂板的距離，m；a為扁平箱梁豎向溫度梯度計算參數，a=2.0．

在選取的50組數據中，大部分溫度實測值與測點擬合值離散性較小，差值在1以內；個別差值較大測點，擬合差值在3以內．

圖5 豎向溫度梯度/cmFig.5 Vertical temperature gradient of box girder

3 橫向溫度梯度模式

如上所述，梁中、梁底位置混凝土箱梁橫向溫度測點梁體溫度隨外界溫度變化很小，并沒有表現出明顯的橫向溫差；但在梁頂面上，由于太陽的直接照射，不同橫向位置出現了較大的橫向溫差．

實測結果發現，在不同的時間記錄點，溫度分布曲線趨勢相同，說明橫向溫度梯度存在明顯的規律性．由于結構對稱，取1/2結構進行計算，以梁中心為坐標原點，應用最小二乘法擬合橫向實測溫度數據，最終確定扁平箱梁橫向溫度梯度分布，如圖6所示．其中，翼緣板和頂板呈現反向溫度梯度分布模式．

式(2)和式(3)分別為翼緣板、頂板橫向溫度梯度公式．式中，A1、A2、B1、B2為扁平箱梁豎向溫度梯度基數，A1=0.87，B1=6.96，A2=0.375，B2=3．

選取夏季7月5日14:00實測數據與擬合曲線公式進行對比，如圖7所示．在選取的50組數據中，大部分溫度實測值與測點擬合值離散性較小，差值在1以內；個別差值較大測點，擬合差值在2以內．

4 有限元對比分析

運用有限元軟件ANSYS的瞬態熱分析對混凝土箱梁溫度場進行理論分析，選用四邊形單元PLANE55，計算時間為上午8:00至第2天上午8:00，將太陽輻射強度、熱輻射、對流換算為綜合換算系數施加于模型邊界上，同時每隔2 h為一個荷載步施加溫度荷載，分為12個荷載步，荷載步之間的溫度按線性插值計算．根據實測數據并參考相關文獻，得到有限元模型所需的混凝土物理參數和熱傳導計算參數值，如表1～表3所示，并設定鋼箱梁梁體初始溫度為30℃．

表1 混凝土物理參數Tab.1 Physical parameters of concrete

表2 綜合換算系數計算表Tab.2 Comprehensive conversion coefficient

表3 大氣實測溫度表Tab.3 Atmospheric temperature of the bridge site

圖6 橫向溫度梯度Fig.6 Transverse temperature gradient of box girder

圖7 實測溫度曲線與擬合溫度曲線對比Fig.7 The measured curve compared with the fitted curve

圖8 箱梁單元劃分圖Fig.8 Element mapp ling of box girder

不考慮溫度沿縱橋向的變化[10]，按實際尺寸建立模型，如圖8所示．

在子牙河特大橋道岔連續梁施工過程中，選擇一跨跨中截面進行溫度場觀測，測點布置見圖2所示，共布置了23個溫度測點，每隔2 h對所有測點觀測一次．選取夏季7月5日14:00實測數據和對應有限元計算結果進行比較，結果如圖9所示．

圖9表明，箱梁頂板、底板溫度計算值和實測值均比較吻合，溫度走勢相同．驗證了由實測數據擬合出的橫向、豎向溫度梯度公式是正確的．

5 結論

1）扁平混凝土箱梁截面存在明顯的豎向溫度梯度，大量實測數據表明，在不同截面位置處豎向溫度梯度符合本文所采用的指數函數加一次函數的擬合公式．

圖9 實測曲線與有限元曲線對比Fig.9 The measured curve compared w ith the FEM curve

2）扁平混凝土箱梁橫向溫度分布具有明顯的對稱性，頂板橫向不同位置溫差較大，且分布規律符合本文所采用的橫向溫度梯度擬合公式．腹板和底板位置橫向溫差較小，橫向溫度場分布均勻．

3）建立了ANSYS模型，計算無鋪裝層混凝土箱梁溫度場分布，與現場實測數據進行對比，計算結果與實測結果吻合較好，驗證了豎向、橫向溫度梯度公式的適用性．

4）本文結論只是針對子牙河特大橋道岔連續梁橋址區的溫度場實測數據得出的結論，對于其他不同地區的溫度場分布，可以根據地區現場實測，擬合適合的溫度梯度公式．

[1]黃騰，李淞泉．鋼箱梁溫度變形特性分析及合攏狀態控制[J]．公路，2002，7（7）：84-88．

[2]郝超．大跨度鋼斜拉橋施工階段非線性溫度影響研究[J]．公路交通科技，2003，20（1）：63-66．

[3]曾慶響，韓大建，馬海濤，等．預應力混凝土箱梁橋的溫度效應分析[J]．中南大學學報（自然科學版），2010，41（6）：2360-2366．

[4]王毅．預應力混凝土連續箱梁溫度作用的觀測與分析研究[D]．南京：東南大學，2006．

[5]張玉平，楊寧，李傳習．無鋪裝層鋼箱梁日照溫度場分析[J]．工程力學，2011，28（6）：156-162．

[6]逯彥秋，張肖寧，唐偉霞．橋面鋪裝層溫度場的ANSYS模擬[J]．華南理工大學學報（自然科學版），2007，35（2）：59-63．

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[9]吳金鑫．預應力混凝土箱梁橋溫度場及溫度效應實測研究[D]．杭州：浙江大學，2011．

[10]方志，汪劍．大跨預應力混凝土連續箱梁橋日照溫差效應[J]．中國公路學報，2007，20（1）：62-67．

[責任編輯 楊屹]

Temperature effect analysis of flat PC continuous box girder bridge without pavement

LI Zilin1，LI Changhui2，CHEN Guosheng3，ZHANG Wenjuan3

(1.School of Civil Engineering,Tianjin Chengjian University,Tianjin 300384,China;2.School of Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China;3.China Railway eighteen Bureau Group Second Engineering Co Ltd,Hebei Tangshan 064000, China)

Thermal stress is one of the main factors that affect the use of long-span bridges.Accurate thermal field distribution model is the basis for the calculation of structural thermal stress Based on field measurement data of Ziyahe continuous box girder bridge.Got variation of temperature w ith time in different places.A vertical and transverse thermal gradient model of flat PC box girder without pavement was presented.Bring out the possibility of thermal gradient model by using ANSYS.The results show that flat concrete box girder cross-section temperature distribution on the different position of axial symmetry,roof transverse temperature difference is large,web and bottom transverse temperature is smaller.The formula of exponential function and linear function are adopted to vertical tem perature gradient. As the linear function is adopted to Transverse tem perature gradient,the conclusions has a very good reference value for the sim ilar bridge of theoretical research,design and construction.

bridge engineering;flat PC box girder;sun light thermal difference effect;thermal gradient

U24

A

1007-2373(2015)06-0076-05

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.06.015

2014-11-16

天津市自然科學基金（13JCYBJC19600）；住建部科技項目（2015-K3-021）；天津市公路行業科技項目（2014-23）

李自林（1953-），男（漢族），教授，博士生導師．

數字出版日期：2015-12-17數字出版網址：http://www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20151217.1508.006.htm l