大跨徑波形鋼腹板箱梁內襯混凝土溫度效應

曹洪亮，沈 佳，張 峰

(1.山東高速高廣公路有限公司，山東 濱州 256600； 2.山東交通學院 交通土建工程學院，山東 濟南 250023； 3.山東大學 巖土與結構工程研究中心，山東 濟南 250061)

0 引 言

波形鋼腹板是一種鋼混組合結構，其以波紋鋼作為腹板通過連接件將2塊腹板和混凝土頂底板結合起來，充分發揮2種材料的力學性能[1-3]，具有結構輕、抗震性能好、受力合理、施工簡便和工程造價經濟等優點。

橋梁結構長期處于自然環境中，受氣溫、風速及太陽輻射等環境因素的影響，橋梁結構斷面上的溫度梯度分布十分復雜。在溫度梯度作用下，波紋鋼和混凝土導熱性能的差異，導致波形鋼腹板梁橋應力變化十分顯著，在波形鋼腹板內襯混凝土易出現裂縫、應力集中等現象，對結構產生危害。因此，開展波形鋼腹板組合箱梁橋內襯混凝土溫度效應研究顯得極為重要。

國內外學者已對橋梁結構開展了溫度效應研究，葉見曙等[4-6]對混凝土箱梁進行了研究，建立了豎向及橫向最大溫度梯度計算經驗公式。Sallal R Abid[7]開展了混凝土箱梁溫度場測試研究，建立了豎向及橫向最大溫度梯度計算經驗公式。朱志鵬[8]采用數值模擬研究波形鋼腹板梁的溫度分布特點及變化規律。董旭[9]等依托前山河特大跨波形鋼腹板箱梁橋開展3d的溫度場觀測，研究其溫度場分布規律并提出了波形鋼腹板箱梁橋豎向及橫向溫度梯度數學計算模型。趙品等[10]提出了波形鋼腹板的溫差計算模式。徐向峰等[11]基于一座8 m波形鋼腹板梁開展9個月的溫度測試。姚晨[12]基于陜西西咸高速人行橋及寧夏葉盛黃河大橋開展了極端氣溫下的波形鋼腹板箱梁日照溫度研究。廖乾健等[13]認為設計上只考慮頂板溫度應力時可以采用規范T=25 ℃的溫度場數據。商敬淼[14]發現波紋鋼腹板箱梁橫截面最大應力普遍發生于波紋鋼腹板與混凝土頂底板交接處，容易產生應力集中現象，進而導致開裂等問題發生。郭翔飛等[15]基于李家河中橋，對波紋鋼腹板預應力混凝土箱梁的溫度效應展開研究。

以上研究均基于普通梁橋或波形鋼腹板組合梁鋼腹板截面進行研究，目前國內外未見對波形鋼腹板內襯混凝土溫度場研究的報道。

本文依托山東省高廣高速公路小清河3號大跨波形鋼腹板連續箱梁橋，對其波形鋼腹板內襯混凝土截面進行了為長達3 216 h的溫度觀測，基于現場實測數據，采用數理統計的方法，研究1年中溫度較高時段(5～9月)內襯混凝土截面的溫度分布。

1 波形鋼腹板箱梁橋溫度測試

1.1 工程概況

小清河3號橋上部采用(90+150+90)m波形鋼腹板預應力混凝土變截面連續箱梁，其余引橋均采用裝配式預應力小箱梁；主橋橋墩采用矩形實心墩配鉆孔灌注樁群樁基礎，引橋橋墩30 m跨采用樁柱式橋墩，兩側橋臺均采用肋板臺配鉆孔灌注樁群樁基礎，如圖1所示。

圖1 小清河3號橋

1.2 測試內容及布置方案

該橋呈東西走向，為研究該橋波形鋼腹板內襯混凝土溫度分布方面的差異，測試截面選擇小清河大橋小里程方向右幅39#墩和4#塊箱梁截面，測試截面梁高為7.73 m，頂板寬度為12.75 m，鋼腹板高為5.4 m，內襯混凝土厚度為33.4 cm，波紋鋼厚度為3 cm，斷面布置如圖2所示。共布置32個溫度測點，頂板位置布置10個測點(1～10)，底板位置布置8個測點(23～30)，腹板波紋鋼位置布置6個測點(14～16,20～22)，腹板混凝土位置布置6個測點(11～13,17～19)，溫度測點布置如圖3所示。

圖2 測試斷面布置圖(單位：m)

圖3 溫度測點布置

測試截面的溫度測點采用了預埋式JMT-36B 智能溫度傳感器，現場預埋傳感器如圖 4所示，采用無線遠程自動化采集模塊進行數據采集，采集頻率為1 次·h-1。

圖4 現場測試

2 測試數據及分析

2.1 實測數據

取頂板、底板、向陽側腹板、背陽側腹板和大氣溫度，并繪制時程曲線，如圖5所示。

圖5 測點溫度時程變化

為了進一步觀測24 h之內波形鋼腹板PC箱梁的溫度變化曲線，選取24 h為1個溫度循環(7月24日整天)，在1個循環內對頂板上10個測點溫度取其平均值作為頂板溫度；分別對左右腹板上各6個測點溫度取其平均值，作為腹板溫度；對底板上8個測點的測試溫度取平均值，作為底板溫度。箱梁截面整體溫度時程變化如圖6所示。

圖6 整體溫度時程變化

分析圖 5、6可以看出

(1)不同時刻的頂板、底板和腹板的溫度有較大差異。早上8時為1 d中溫度最低的時段，之后溫度不斷上升，溫度梯度增大，下午16～18時為1 d中溫度最高的時段，隨后溫度不斷下降，1 d的變化時程近似正弦曲線。

(2)頂板和向陽側腹板由于受到陽光照射，溫度上升快于底板和背陽側腹板，且變化幅度更大。底板和背陽側腹板僅受到大氣輻射，溫度變化幅度小。

2.2 豎向溫度分布

為進一步研究溫度變化對內襯混凝土溫度效應的影響，對其測試數據進行分析，選取晝夜溫差最大的那天(7月24日)，分別對全天中溫度最高(16時)和溫度最低(8時)的時刻進行分析，并得到箱梁豎向溫度變化圖，如圖7所示。

圖7 箱梁豎向溫度分布

分析圖 7可以看出

(1)白天溫度上升時，由于波紋鋼處于箱梁外側，室外環境溫度大于室內環境溫度，且波紋鋼比熱容較小，導致波紋鋼溫度上升較快，波紋鋼大于內襯混凝土溫度。

(2)當夜晚溫度較低時，由于箱室內處于半封閉狀態，室內環境溫度大于室外，且波紋鋼散熱性能較好，溫度下降快，因此波紋鋼溫度小于內襯混凝土溫度。

(3)對比8時和16時的豎向溫度分布，可看到在溫度升高時，溫度梯度更大。

3 溫度梯度

為了研究橋梁設計基準期內(100年)的設計溫差，選擇正態分布函數對溫度測試結果進行統計分析。其正態分布的概率密度函數為

(1)

式中：μ為正態分布的均值；σ為正態分布的標準差。

對圖 3中17號和20號測點的溫差數據進行數理統計，建立了測試截面的腹板波紋鋼和內襯混凝土溫差的正態分布概率統計模型，如圖8所示，求得均值為1.892，標準差為1.507。根據所求的概率統計模型推測99%分位點的溫度數值，即百年一遇的溫差，其值為5.4 ℃。

根據以上方法，對腹板波紋鋼和內襯混凝土其余測點橫向溫差進行類似的概率統計，考慮波形鋼腹板內嵌入頂底板，理論在波形鋼腹板于頂底板交界處，內襯混凝土和腹板波紋鋼的溫差為0 ℃，統計結果如圖9所示。

圖8 溫度差值直方圖

圖9 內襯混凝土與波紋鋼溫差

分析圖 9可以看出

(1)向陽側內襯混凝土與波紋鋼溫度差異要大于背陽側內襯混凝土與波紋鋼的差異。分析其原因為：向陽側受到同時受到太陽輻射和大氣輻射，且波紋鋼比熱容較小，導致波紋鋼吸收熱量后溫度上升快，而混凝土熱傳導系數低，波紋鋼處熱量難以傳導到內襯混凝土測點，因此兩個部位溫度差異顯著。

(2)背陽側鋼腹板僅受到太陽輻射影響，因此溫度差異分布較為均勻且差值較小。

4 結 語

(1)在一晝夜內頂板、底板及腹板溫度變化近似正弦分布，且頂板與向陽側腹板受太陽輻射影響，溫度變化幅度大于底板和背陽側腹板。

(2)由于混凝土和波紋鋼的比熱容和吸熱散熱能力不同，兩者的溫度分布不同，在1 d中溫度最低(8時)的時刻，內襯混凝土溫度大于波紋鋼溫度，在1 d中溫度最高(16時)的時刻，波紋鋼溫度大于內襯混凝土溫度。

(3)波形鋼腹板向陽側同時受到太陽輻射和大氣輻射，且波紋鋼比熱容較小，導致波紋鋼吸收熱量后溫度上升快，而混凝土熱傳導系數低，波紋鋼處熱量難以傳導到內襯混凝土測點，因此向陽側內襯混凝土和波紋鋼溫度差異顯著。

(4)用正態分布對波形鋼腹板橫向溫差進行擬合，并推出其設計基準期內(100年)的橫向溫差設計值。本文推出的波形鋼腹板橫向溫差設計值可以為同類橋梁設計提供參考。