高海拔地區鋼-混凝土組合梁日照溫度場研究

陳勝利 蘇永華 班新林 石龍

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081）

橋梁結構在日照作用下會產生非線性的溫度分布［1]，溫度應力和變形有時會超過荷載所產生的效應，從而造成橋梁的損傷與破壞。鋼-混凝土組合梁中鋼材的導熱系數約為混凝土的10倍，兩種材料導熱性能的巨大差異使得鋼梁和混凝土橋面板之間存在很大的豎向溫度梯度。

目前國內外學者對此進行了研究，孫國晨等［2]應用Ansys 有限元軟件對鋼-混凝土組合梁在日照作用下的溫度場進行時程仿真分析，計算結果與實測數據吻合很好，驗證了計算方法的準確性；武慶祥等［3]通過北京地區某鋼-混組合箱梁日照溫度場的分析，探究了組合梁橋的豎向、橫向溫度曲線的時程變化規律，并與現行規范進行了對比；季德鈞等［4]以青海黃南地區哇加灘黃河大橋為背景，指出在青海高原高寒地區，采用考慮地理位置修正的主梁豎向溫度梯度模式進行設計計算，結果更偏于安全。太陽輻射計算模型方面，李錦萍等［5]基于北京地區的太陽輻射實測數據修正了ASHRAE 模型，提出了北京晴空模型，Al-Senea等［6]通過當地實測數據修正得到了Riyadh 晴空模型，鮮有學者提出能夠直接應用于青藏高原地區的晴空模型。

目前，國內外學者對鋼-混凝土組合梁的溫度場，尤其是青藏高原地區鋼-混凝土組合梁溫度場研究很少。因此，本文以某鋼-混凝土組合梁橋為實例，確定了適用于高原氣象條件的太陽輻射計算模型，對青藏高原大氣透明度系數進行分析；建立了有限元模型，對典型時段的日照溫度場進行時變分析；對鐵路規范中關于板厚溫差的規定對高海拔地區設計的適用性進行了評價。

1 溫度時程分析基本原理

根據傅里葉導熱定理，笛卡爾直角坐標系下三維瞬態導熱微分方程的一般形式為［7]

式中：T為結構某一位置處的溫度函數；τ為時間；x，y，z為三維坐標；ρ為結構密度；c為結構比熱容；λ為導熱率。

橋梁沿縱向的溫度梯度可以忽略，因此可按平面問題計算溫度場計算，式（1）用二維熱傳導方程表示為

在日照作用下，鋼-混凝土組合梁結構與外界的熱交換，不僅來自太陽的熱輻射，也有與空氣之間的熱對流，因此其邊界條件包括第二類和第三類邊界條件兩種情況的組合，可以表示為

式中：h為對流換熱系數；Ta為物體邊界大氣溫度；q為熱流密度；n為法向量。

對于邊界復雜的問題，式（2）的解析解求解過程十分繁瑣，不便于工程人員使用。可利用有限元軟件進行組合結構溫度場的瞬態分析，得到溫度場隨時間的變化規律，總結出簡化的公式與參數為工程設計提供參考。

2 鋼-混凝土組合梁日照溫度場仿真分析

以某鋼-混凝土組合梁為分析對象，橫截面見圖1。鋼梁部分采用開口型鋼板梁，鋼板梁高4000 mm。橋面中心線處混凝土橋面板厚350 mm，翼緣板邊緣厚200 mm，翼緣板懸出長度2700 mm。

圖1 鋼-混凝土組合梁橫截面（單位：mm）

2.1 太陽輻射計算模型

自然環境中混凝土橋梁受到太陽直接輻射、散射輻射、地面反射輻射。直接輻射和散射輻射最為復雜，常用的計算模型主要包括ASHRAE 模型、Hottel 模型［7]和冪指數模型3 種。ASHRAE 模型主要參數是根據美國太陽輻射的實測數據得到，具有典型的地域特征；Hottel模型于1976年提出，通過計算太陽直射透射比和散射透射比計算直接輻射和散射輻射，計算參數基于經驗系數獲得，其主要影響因素為太陽高度角和海拔高度，一般適用于能見度高于23 km，海拔低于2500 m的情況，對于高海拔地區并不適用。

Hottel［8]在對混凝土橋梁溫度應力的研究中，基于激光器的朗伯特定律提出了采用冪指數模型計算到達地表的太陽直接輻射強度。法向直接輻射和水平散射輻射分別為

式中：Id為太陽直接輻射強度；IH水平散射輻射強度；I0為太陽常數；P為大氣透明度系數；qa為水蒸氣、臭氧、氧氣和水溶膠對輻射吸收系數。qa，P均可通過實測得到。

冪指數模型考慮了海拔、大氣透明度系數等對短波輻射的影響，在高海拔和空氣稀薄的青藏高原地區較為適用。故本文選用冪指數模型作為高海拔地區鐵路鋼-混凝土組合梁溫度場分析的太陽輻射計算模型是合適的。

2.2 青藏高原地區大氣透明度系數

太陽輻射從大氣上界進入大氣層后受到大氣透明度的影響，大氣透明度的特征量用透明系數P表示。目前大氣透明度系數P有兩種計算方法，分別是基于均值氣象條件和極值氣象條件得到的擬合公式。

①翁篤鳴等［9]根據累年實測氣象數據均值分析擬合提出的計算公式，表達式為

式中：e為水汽壓，102Pa；α，γ為經驗系數，α主要反映空氣分子和灰塵的影響，γ主要反映水汽的影響；k為相對大氣壓，與海拔相關，位于海平面時k取1。

根據對青藏高原及其鄰近地區不同海拔高度的27個站點資料分析［9]，擬合得到α為0.389，γ為0.0112。

②凱爾別克［7]和Elbadry 等［10]提出的基于極值氣象條件的復合大氣透明度計算方法，表達式為

式中：tu為林克氏渾濁度系數，隨大氣狀況和季節變化，可按下面經驗公式計算

式中，Am，Bm為經驗參數，分別表示不同大氣狀況下，林克氏渾濁度系數的年平均值和變化幅度，其值見表1。

表1 林克式渾濁度系數

根據式（6）和式（7）計算得到的不同海拔高度的大氣透明度系數，見表2。可見，山區大氣透明度系數比工業區平均增加了7.2%～19.6%，按照山區極值氣象條件計算的大氣透明度系數比按照青藏高原氣象條件均值計算得到的大氣透明度系數增加了7.9%～21.4%，且海拔越低相差越大。按照式（6）計算的青藏高原大氣透明度系數與式（7）計算的工業區大氣透明度系數相當。

大氣透明度系數隨海拔升高成線性增加（圖2），線性相關系數大于0.999。均值氣象條件下，海拔每升高1 km 大氣透明度系數增加0.035；極值氣象條件下，海拔每升高1 km大氣透明度系數增加0.024。

表2 不同海拔高度的大氣透明度系數

圖2 兩種計算方法的青藏高原大氣透明度系數

2.3 有限元模型

建立鋼-混凝土組合梁平面有限元模型，單元尺寸20 mm，見圖3。橋梁呈南北走向，經度E91.00°，緯度N29.67°。大氣透明度系數取0.834，計算對流換熱系數時，取該地區8月最小平均風速1.56 m/s，氣溫按照該地區累年6月份日均最高氣溫和最低氣溫的正弦變化曲線取值。材料熱力學參數見表3。

圖3 有限元模型

表3 材料熱力學參數

2.4 計算結果分析

通過有限元計算得到了夏至日06：00—19：00 的鋼-混凝土組合結構瞬態溫度場，混凝土橋面板最高溫度出現在14：00，14：00 結構的溫度場云圖見圖4。可見，溫度梯度最大的區域位于鋼主梁附近的混凝土橋面板。

圖4 14：00鋼-混凝土組合梁溫度場云圖（單位：℃）

06：00—19：00東側鋼主梁中心線處溫度場與混凝土橋面板板厚溫差見圖5。可見，鋼-混凝土組合梁日照溫差主要分布在混凝土板厚范圍內，鋼主梁的溫度在腹板高度方向上的溫度梯度較小，除上、下翼緣板附近，腹板的溫度梯度幾乎為零；由于鋼主梁的存在，使得鋼梁中心線處的板厚溫差大于橋面中心線處的板厚溫差，分別為27.9，19.0 ℃；鋼主梁中心線處板厚溫差最大值出現在14：00，橋面板中心線處板厚溫差最大值出現在13：00。

圖5 鋼-混凝土組合梁日照溫度場

東側鋼梁中心線處和橋面板中心線處06：00—19：00沿板厚溫度場見圖6。可見，2 個位置處橋面板頂面溫度最大值相當，分別為49.3，50.3 ℃，分別出現在14：00，15：00。由于鋼主梁導熱系數大、比熱低，與鋼主梁接觸的混凝土溫度較低，使得鋼梁中心線處的混凝土橋面板板厚溫差明顯大于橋面板中心線處的板厚溫差。

圖6 混凝土橋面板溫度場

3 鐵路規范適用性評價

目前專門針對鐵路結合梁的溫度荷載取值可參考的規范僅有TBJ 24—1989《鐵路結合梁設計規定》［11]，且規定較為籠統。另外還可參考TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結構設計規范》［12]，對于混凝土箱梁沿板厚方向溫度梯度的規定。

TBJ 24—1989 規定：在缺乏足夠的技術資料時，可認為在梁和板內的溫度在各自高度范圍內為一定值，其差值可用±15 ℃。

TB 10092—2017 對不同的板厚分別規定了溫差曲線指數a′，a′按表4取值［11]。

表4 不同板厚溫差曲線指數a′取值

箱梁沿板厚的溫差曲線計算式為

式中：T′y為計算點y處的溫差；T′0為板內外表面溫差。

由圖5 可知，根據拉薩地區極值氣象條件計算得到的鋼-混凝土組合梁中混凝土橋面板存在較大的溫度梯度，故TBJ 24—1989 用于高海拔地區鋼-混凝土組合梁存在一定的局限性。根據式（9）擬合得到橋面中心線和鋼梁中心線處溫差沿板厚的分布曲線，見圖7。可見，由于式（9）主要用于鐵路混凝土箱梁的設計，故橋面中心線處的板厚溫差按照a′=10 擬合得很好，相關系數為0.989。而鋼梁中心線處由于鋼梁材熱參數的影響，板厚溫差按照a′=7 進行擬合，相關系數為0.987。

圖7 鋼-混凝土組合梁日照板厚溫差擬合曲線

TB 10092—2017 中給出的大氣透明度系數最大為0.80，大氣透明度系數每增加0.1，豎向溫差增大約2 ℃。由表2可知，極值和均值氣象條件下拉薩的大氣透明度系數分別為0.834，0.736。大氣透明度系數對鋼-混凝土組合梁日照板厚溫差的影響見圖8。

圖8 大氣透明度系數對鋼-混凝土組合梁日照板厚溫差的影響

由圖8 可見，板厚溫差與大氣透明度系數成線性關系。在橋面中心線處，大氣透明度系數每增加0.1，板厚溫差1.9 ℃，與TB 10092—2017 吻合；在鋼梁中心線處，大氣透明度系數每增加0.1，板厚溫差3.3 ℃，大于TB 10092—2017的規定（2 ℃）。

4 結論

通過對高海拔地區某鋼-混凝土組合梁橋典型時段、典型氣象條件下的日照溫度場時變分析，并與規范進行對比驗證，得到以下結論：

1）太陽輻射模型中的冪指數模型在高海拔和空氣稀薄的青藏高原地區更為適用。

2）鋼-混凝土組合梁日照溫差主要分布在混凝土板厚范圍內，鋼主梁的溫度在腹板高度方向上的溫度梯度較小；由于鋼主梁的存在，使得鋼梁中心線處的板厚溫差大于橋面中心線處的板厚溫差。

3）鋼-混凝土組合梁板厚溫差符合TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結構設計規范》中的指數模型分布，a′的取值略有不同。

4）鋼-混凝土組合梁板厚溫差與大氣透明度系數成線性相關關系。