高墩大跨變高連續剛構橋溫度場研究

郭鋼江

（上海市政工程設計研究總院集團浙江市政設計院有限公司，浙江杭州 310000）

1 工程概況

橋梁總圖布置如下：

總體：某公路橋梁為（102.75+160+160+102.75）m預應力混凝土高墩變高連續剛構橋，中墩和次邊墩采用雙肢薄壁結構，并與中橫梁固結，邊墩采用支座形式。

上部結構：為大挑臂單箱單室截面，梁頂寬12.0 m，梁底寬6.0 m；中墩和次邊墩處梁高9.5 m，主跨、次邊跨和邊跨跨中梁高3.3 m，梁高按拋物線變化過渡。主跨、次邊跨和邊跨跨中截面見圖1。

圖1 跨中截面（單位：m）

下部結構：中墩和次邊墩（雙肢薄壁）高度約46 m，壁厚2.2 m，兩肢中心距為8.0 m。

2 橋梁溫度場概述

2.1 影響橋梁溫度變化的因素概述

混凝土橋梁的溫度場主要受以下幾個方面的影響：橋位處氣候變化、橋位處地形地貌特征和橋梁結構自身的幾何特性。

橋梁溫度的變化本質上通過三種方式實現[1]：（1）太陽輻射。橋梁結構在太陽直接照射下，吸收傳遞過來的部分輻射。（2）輻射換熱。橋梁吸收周圍物體發出的熱輻射的同時，橋梁自身也向外界發出熱輻射。（3）對流換熱。由于橋梁表面與相鄰周圍環境的溫度差異，造成熱量從溫度高的一側傳遞到溫度低的一側，產生熱交換。

2.2 基于ANS YS 溫度場分析介紹

橋梁相鄰周邊環境溫度場是在不斷變化中的，對橋梁的影響也是在不斷變化中的，因此橋梁自身的溫度場是一個復雜非線性問題。借助ANSYS 的非線性分析功能[2-3]，建立全橋三維實體元分析模型。鑒于全橋實體模型計算量龐大，且跨徑對稱，溫度場結果也對稱，因此在保證計算準確度的情況下，模型采用1/2 全橋長度，見圖2。綜合考慮太陽輻射、輻射換熱和對流換熱對橋梁的影響，較精確地模擬橋梁一段時間內變化的溫度場。

圖2 ANS YS 全橋實體元模型

3 橋梁溫度場分析

3.1 夏季橋梁溫度場分析

橋梁考慮橋位處夏季一天24 h 內的溫度場變化，頂板、底板24 h 溫度場分別見圖3、圖4，夏季下午關鍵時刻的腹板高度范圍內的溫度場變化見圖5。

夏季溫度場計算表明：

（1）頂板外表面24 h 內最大溫差為21.5℃，其中一天內最高溫度出現在15 點左右，溫度為51℃。

圖3 頂板24 h 溫度場

圖4 底板24 h 溫度場

圖5 腹板下午時刻溫度場

（2）底板外表面24 h 內最大溫差為10.4℃，其中一天內最高溫度出現在16 點左右，溫度為38.5℃。

（3）由于箱梁內表面未直接受到太陽輻射，因此溫度變化相對要小很多；頂板內表面24 h 內最大溫差為5.0℃；底板的內表面 24 h 內最大溫差為2.0℃。

（4）由于橋梁混凝土傳熱能力較差，頂板、底板厚度范圍內溫度場發生了較大變化。

（5）腹板豎向溫差較大，頂板外表面向下400 mm范圍內，24 h 最大溫差為16℃，底板外表面向上500 mm 范圍內，24 h 最大溫差為 4.7℃。

3.2 冬季橋梁溫度場分析

橋梁考慮橋位處冬季一天24 h 內的溫度場變化，頂板、底板24 h 溫度場分別見圖6、圖7，冬季下午關鍵時刻的腹板高度范圍內的溫度場變化見圖8。

圖6 頂板24 h 溫度場

圖7 底板24 h 溫度場

圖8 腹板下午時刻溫度場

冬季溫度場計算表明：

（1）頂板外表面24 h 內最大溫差為13.5℃。

（2）底板外表面24 h 內最大溫差為6.2℃。這是由于冬季太陽輻射強度沒有夏季強，太陽輻射對梁體的升溫作用相對夏季要小。外頂板向下40 cm 溫差最大達到10.7℃，外底板向上50 cm 溫差最大為3℃。

（3）由于箱梁內表面未直接受到太陽輻射，且冬季整體溫度變化低于夏季，因此冬季箱梁內表面溫度場分布和變化與夏季大致相同，只是溫度的極值不一樣。

（4）由于橋梁混凝土傳熱能力較差，頂板、底板厚度范圍內溫度場發生了較大變化。

（5）由于冬季太陽輻射效應沒有夏季強，因此腹板豎向溫度場較夏季變化小，頂板外表面向下400 mm 范圍內，24 h 最大溫差為10.7℃，底板外表面向上500 mm 范圍內，24 h 最大溫差為3.0℃。

4 結 語

通過ANSYS 對夏季、冬季兩個橋梁運營過程中經歷的極端溫度場進行非線性瞬態熱傳導分析，結論如下：

（1）被太陽輻射直接作用的橋梁表面，表面溫度較其他部位高，且由于混凝土傳熱能力較差，橋梁梁體內部對外界熱輻射的反應滯后；夏季與冬季雖然整體外圍環境輻射強度不同，但溫度場在橋梁內部的分布規律大致相同。

（2）夏季與冬季沿腹板高度分布的溫度梯度與我國《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015）中規定的豎向溫度梯度不同，規范中頂板最大溫差是14℃，而夏季溫度場分析的最大溫差為16℃；規范在距離頂板以下500 mm 外范圍內，沒有溫差效應，而夏季溫度場分析所求的最大溫差為4.7℃，冬季為3.0℃，且未考慮極端惡劣天氣影響，因此建議在對大型橋梁設計時，酌情提高溫度梯度的幅值，保證橋梁運營過程中耐久性要求，防止溫度裂縫的出現。