高速鐵路橋梁空心薄壁高墩日照溫度效應研究

張振國，鮑海榮，張 謙，孫 斌，葉榮兵，方 超

(1. 中鐵十二局集團有限公司，太原 030024；2. 華東交通大學土木建筑學院，南昌 330044)

空心薄壁高墩作為跨越山谷的主要墩柱類型，具有節省混凝土用量、自重較輕、地基基礎適應性強等優點，隨著翻模施工工藝的日益成熟和普及，其在橋梁工程中的應用日漸廣泛[1]?？紤]到南方山谷氣候干燥、日光照射強烈、日夜溫差大等特點，暴露于外界自然環境中的空心薄壁橋墩在大氣溫度、輻射換熱及日照輻射作用下，墩柱的內外壁容易形成較大溫度差異，從而出現對墩體不利的溫度應力，導致裂縫產生，這會嚴重影響橋梁的使用安全。為探討空心薄壁高墩在日照溫度效應下的力學性能，不少學者通過現場實測的方法對墩壁溫度場分布進行研究[2-4]，并應用解析法探討其力學性能。但考慮到日照溫度效應具有較強的地域差異，采用現場實測往往只能針對某一地區、特定尺寸的空心墩進行分析，具有明顯局限性，因此開展有限元分析成為其有效補充。目前學者顧皓瑋等[5]、楊美良等[6]、李彪等[7]基于現場實測，結合橋址地理數據和氣象條件建立了相關數值仿真模型，在與實測結果對比驗證的基礎上，研究了空心薄壁高墩的日照溫度應力分布規律和溫度變形，但鮮有關于不同氣象參數和結構幾何參數下溫度場效應的文獻研究。

針對上述問題，以贛深高鐵王村特大橋40.2 m高的圓端形空心薄壁橋墩為研究對象，通過在墩壁截面埋設溫度傳感器，測量全天墩壁日照溫度場分布，應用midas FEA軟件建立空心薄壁高墩溫度場空間有限元模型，對比數值分析結果與實測數據，在此基礎上研究風速和墩壁厚度對空心薄壁高墩日照溫度效應的影響。

1 溫度場現場測試

1.1 傳感器布置及測試方法

贛深高鐵王村特大橋為主跨32 m的簡支梁橋，空心薄壁高墩墩身正、側面圖如圖1所示。為探討日照溫度效應對空心薄壁高墩的影響，選取本橋最大墩身高度為40.2 m的空心橋墩作為研究對象，在墩身截面順橋向以及橫橋向4個方位安裝JMT-36B溫度傳感器來測試不同時刻橋墩沿壁厚方向的溫度，墩身截面及溫度測點布置如圖2所示。溫度傳感器豎向布置在距墩底10 m處，其中順橋向和橫橋向各安裝2排，每排均有5個溫度傳感器，間距為0.125 m，共計20個溫度傳感器，采用JMZX-3001綜合測試儀進行溫度測量。

(a) 墩身截面(單位：cm)

1.2 實測數據分析

選取當地夏季天氣晴朗、風速較小、太陽照射強烈、晝夜溫差大的3 d(2019年7月28日、7月30日和8月2日)對該墩截面開展現場日照溫度實測，測試間隔為2 h，圖3～圖5分別為7月28日、7月30日和8月2日溫度實測數據變化，各側墩壁的最高溫度、最低溫度和內外溫差如表1所示。

由圖3～圖5及表1可知，選取的3 d測試得到的空心薄壁高墩溫度場分布規律大致相同，其中北側墩壁均在14：00左右達到溫度峰值，此時前后3 d墩壁內外溫差分別為16.7 ℃、16.2 ℃和15.4 ℃；東側墩壁均在12：00左右達到溫度峰值，此時前后3 d墩壁內外溫差分別為13.3 ℃、13.1 ℃和12.9 ℃；南側墩壁均在16：00左右達到溫度峰值，此時前后3 d墩壁內外溫差分別為15.3 ℃、16.3 ℃和15.6 ℃；西側墩壁均在16：00左右達到溫度峰值，此時前后3 d墩壁內外溫差分別為15.2 ℃、15.3 ℃和15.1 ℃。

(a) 北側墩壁1

(a) 北側墩壁2

(a) 北側墩壁3

表1 各側墩壁的最高溫度、最低溫度和內外溫差 (℃)

2 日照溫度效應數值模擬

應用midas FEA軟件建立空心薄壁高墩的有限元模型，其中墩高按40 m選取，采用自動實體網格(六面體主導)進行網格劃分，劃分長度為0.125 m。主墩采用C35混凝土，相應的導熱系數和比熱分別按2.45 J/(m·s·K)和912 J/(kg·K)取值。模型中采用對流換熱系數函數、溫度環境函數表征對流換熱、太陽輻射以及混凝土結構與周圍環境的輻射換熱這三種荷載效應，對流換熱系數的函數表達式[6]為

αc=6.35+3.46v+αr

(1)

式中，αc為對流換熱系數，W/(m2·K)；v為場地的實測風速；αr為墩外表面輻射。

midas FEA軟件中溫度環境函數一般以用戶定義的綜合氣溫進行設定，相應的表達式為

Tsa=Ta+αI/αc

(2)

式中，Tsa為綜合氣溫；Ta為外界氣溫；I為日照輻射強度，W/m2；α為混凝土吸熱率，取0.55 ℃/K；αc為對流換熱系數。

研究選取具有代表性的7月28日相關數據開展數值分析，根據當地氣象部門資料和現場實測數據，取平均風速為2 m/s，墩外表面輻射為5.6 W/(m2·K)，各側墩壁日照輻射強度及外界氣溫如表2所示，其中墩壁日照輻射強度通過MS-402日照強度計實測求得。在墩身外部，由式(1)可以求得對流換熱系數為18.87 W/(m2·K)，結合式(2)和表2可計算得到各側墩壁綜合氣溫，如表3所示；在墩身的內部，由于沒有風速及表面輻射的影響，由式(1)可知對流換熱系數為6.35 W/(m2·K)，而綜合氣溫按早晨6：00外界氣溫20 ℃取值。

表2 各側墩壁日照輻射強度及外界氣溫

表3 各側墩壁綜合氣溫 (℃)

2.1 溫度云圖分析

建立數值仿真模型，應用熱傳遞分析方法，給出7月28日具有代表性的4個時刻溫度云圖，如圖6所示?？招谋”诟叨盏臏囟葓龇植记闆r隨時間的變化而變化，墩身外側壁受外界溫度的影響較大，而內側壁的溫度變化較小，溫度分布更加穩定，這是由于混凝土導熱性能差，并且內部處于封閉狀態的高墩無法與外界進行熱對流。10：00左右太陽持續照射空心薄壁高墩的東側，墩體溫度上升較快。東側壁板在12：00左右達到最高溫度 33.9 ℃，此時內外壁的溫差達到13.6 ℃。北側壁板最高溫度發生在14：00左右，為36.4 ℃，內外壁溫差達到16 ℃。南側壁板最高溫度發生在16：00左右，為37.1 ℃，內外壁溫差達到16.1 ℃。西側壁板最高溫度發生在16：00左右，為36.2 ℃，內外壁溫差達到15.3 ℃。壁板的最高實測溫度也比當天的最高氣溫更高，這是由于混凝土外側墩壁吸收了大量陽光照射的能量而導致其溫度升高，同時也說明空心薄壁高墩壁對氣溫變化的敏感性強，混凝土導熱性能差及其溫度分布不均勻。

(a) 10：00

2.2 分析結果對比

應用上述建立的數值仿真模型，給出7月28日溫度場分布數值結果與實測結果對比，如圖7所示。

(a) 北側墩壁4

由圖7可知數值分析結果和實測數據大致吻合。北側、東側、南側和西側墩壁產生最大溫差的時刻分別為14：00、12：00、16：00及16：00，與實測數據出現最大溫差的時刻基本相同，表明通過合適的對流系數函數、溫度環境函數參數選取，應用midas FEA軟件進行空心薄壁高墩日照溫度效應數值分析具有較好的精準性。

3 參數分析

本節利用上述數值仿真模型，研究風速和墩壁厚度對空心薄壁高墩日照溫度效應的影響。分析時橋墩高度、外觀尺寸不變，日照溫度選用7月28日的溫度場分布。

3.1 風速

考慮到在山谷地區橋墩的日照溫度效應受風速影響較大，因此選取風速為0 m/s、2 m/s、4 m/s和6 m/s的4種情況進行溫度效應的參數分析。不同風速下的主墩溫度應力和墩頂最大位移如表4所示，分析時墩壁厚度取0.5 m，其中不同風速下的對流換熱系數函數和溫度環境函數由式(1)求得。

表4 不同風速下的主墩溫度應力和墩頂最大位移

由表4可知，隨著風速的增大，由日照溫差引起的墩身截面最大拉應力、最大壓應力和墩頂最大位移均呈單調遞減趨勢，這是由于風速的增大能夠加快空心薄壁高墩表面的對流換熱速度，減少墩壁內外溫差，從而減小日照溫度應力并降低墩頂變形。

3.2 墩壁厚度

為探討墩壁厚度對日照溫度效應的影響，分別選取0.3 m、0.5 m、0.7 m和0.9 m的不同墩壁厚度，對其溫度應力和變形進行分析，不同墩壁厚度下的溫度應力和墩頂最大位移如表5所示，且分析時風速按2 m/s考慮。

由表5可知，日照溫度應力和墩頂最大位移均隨著墩壁厚度的增大而逐漸降低。這是由于隨著墩壁厚度的增加，在不同時刻日照溫度場分布基本保持不變，即日照溫度影響的墩壁厚度范圍基本保持不變，導致產生最大拉應力和最大壓應力的位置從墩外壁向墩壁中心移動，而墩壁厚度的增加將加大截面剛度，因此降低了溫度應力和墩頂位移。

表5 不同墩壁厚度下的溫度應力和墩頂最大位移

4 結論

以贛深高鐵王村特大橋40.2 m高的圓端形空心薄壁橋墩為研究對象，通過在墩壁截面埋設溫度傳感器，測量全天墩壁的日照溫度情況，應用midas FEA軟件建立空心薄壁高墩的溫度場空間有限元模型，并將數值分析結果與實測數據進行對比，在此基礎上分析風速及墩壁厚度對空心薄壁高墩日照溫度效應的影響，得到以下結論。

(1) 空心薄壁高墩的日照溫度場在截面墩壁厚度方向呈非線性分布規律，其中外側壁受外界氣溫條件影響較大，而內側壁的溫度變化較小，溫度分布更加穩定。

(2) 基于合適的對流系數函數、溫度環境函數參數選取，應用midas FEA軟件進行空心薄壁高墩日照溫度效應數值分析具有較好的精準性。

(3) 日照溫度效應對環境風速和墩壁厚度較為敏感，其應力值和墩頂變形隨風速的增大和墩壁厚度的增加呈單調遞減趨勢。