高-矮塔斜拉鋼桁梁橋空間溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析

耿文賓，劉 康，周俊龍，林金地

（1.中國建筑第六工程局有限公司，天津 300451；2.中建橋梁有限公司 重慶 402260；3.中建工程產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，北京 101300）

鋼桁梁結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)具有復(fù)雜性、實(shí)時(shí)性、多樣性，溫度的大小和分布受環(huán)境影響因素較多，與橋梁所處的地理位置、地形特點(diǎn)、橋梁方位、溫度、風(fēng)速、日射強(qiáng)度、日射角度等因素均有一定關(guān)系[1]。鋼桁梁受溫度作用產(chǎn)生的變形和應(yīng)力對(duì)橋梁前期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、架設(shè)過程中桿件的拼裝與合龍及成橋后整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)都有很大影響，因此深入研究鋼桁梁在復(fù)雜環(huán)境下的溫度場(chǎng)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工的影響有重要意義。

目前，我國學(xué)者針對(duì)大跨鋼桁梁橋溫度效應(yīng)進(jìn)行了一定研究。向中富等[2]通過比較不同溫差作用下鋼桁梁與橋面板連接部位的變形和受力情況，研究了溫差效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響程度。陳玉驥等[3]將下承式桁梁結(jié)合梁等效為箱形梁，用變分法求出了下承式桁梁結(jié)合梁溫度效應(yīng)的級(jí)數(shù)解。肖勇剛等[4]運(yùn)用MIDAS Civil軟件建立有限元模型，分析主梁自重、結(jié)構(gòu)材料彈性模量、整體溫度和局部溫差對(duì)大橋主梁縱向位移及斜拉索內(nèi)力的影響。王蔓亞等[5]通過采集鄭州黃河公鐵兩用橋鋼桁梁溫度場(chǎng)的健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用極值分析方法對(duì)結(jié)構(gòu)豎向、縱向、橫向溫差以及關(guān)鍵部位構(gòu)件截面溫差進(jìn)行計(jì)算，研究分析得到其溫差分布特性。施文彬等[6]研究了施工過程中溫度場(chǎng)對(duì)板桁結(jié)合斜拉橋控制線形的影響效應(yīng)。蔡巍等[7]以三跨剛性梁柔性拱結(jié)構(gòu)為例，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)表面溫度及聯(lián)端活動(dòng)支座位移進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，采用MIDAS Civil軟件建立有限元模型對(duì)板桁組合梁的溫差效應(yīng)進(jìn)行分析。李衛(wèi)華等[8]運(yùn)用無應(yīng)力狀態(tài)法，對(duì)合龍與成橋兩個(gè)目標(biāo)狀態(tài)進(jìn)行施工監(jiān)控，通過不間斷施工測(cè)量，過濾溫度影響后，調(diào)整桿件安裝工序，來控制鋼桁梁懸臂架設(shè)線形。

針對(duì)斜拉橋鋼桁梁施工過程中結(jié)構(gòu)剛度大導(dǎo)致誤差調(diào)整難度大、施工監(jiān)控目標(biāo)較多以及溫度效應(yīng)影響顯著等問題，本文基于高-矮塔公軌兩用斜拉橋鋼桁梁布設(shè)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)測(cè)太陽輻射下鋼桁梁桿件的溫度場(chǎng)，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析不同部位、不同截面、不同照射角桿件有關(guān)溫度的同性和差異性，提高斜拉橋鋼桁梁合龍和成橋線性質(zhì)量，通過總結(jié)鋼桁梁的溫度場(chǎng)分布規(guī)律和特點(diǎn)，為鋼桁梁橋的溫度場(chǎng)分析和研究提供借鑒和參考。

1 工程概況

重慶紅巖村嘉陵江大橋主橋?yàn)楦叩退p索面公軌兩用鋼桁梁斜拉橋，跨徑布置為91.4 m+138.6 m+375 m+120 m+7.8 m。主梁采用雙層等高度連續(xù)鋼桁梁，上層為城市快速路（雙向6車道），下層為軌道交通5號(hào)線（雙線）+城市支路（雙向4車道）。主桁為三角桁架，桁寬28.2 m、高11.163 m，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段鋼梁包括上弦桿、下弦桿、上橋面板、下橋面板、斜腹桿，加寬段鋼梁增加了懸挑橋面板、橫梁、邊縱梁、斜拉桿等構(gòu)件。

2 溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

由于組成鋼桁梁各構(gòu)件的鋼板較薄，有良好的熱傳遞性能，假設(shè)鋼板沿厚度方向溫度不變，不考慮沿厚度方向的熱流動(dòng)，則在鋼桁梁鋼板外壁布設(shè)溫度測(cè)點(diǎn)，通過實(shí)測(cè)鋼結(jié)構(gòu)表面溫度來研究鋼桁梁該構(gòu)件鋼板溫度場(chǎng)的變化情況。

采用北京基康溫度傳感器及中建測(cè)控?zé)o線測(cè)控儀采集系統(tǒng)，通過自動(dòng)化溫度采集系統(tǒng)采集各測(cè)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，采集溫度的時(shí)間間隔為300 s。

為研究縱橋向不同位置處的桿件溫度場(chǎng)，選取典型位置處的桿件布置溫度傳感器；為研究矩形截面桿件受太陽輻射下的溫度場(chǎng)，通常在典型的桿件四周各布置1個(gè)溫度傳感器進(jìn)行測(cè)試，選取不同桿件進(jìn)行表面溫度測(cè)試。通過測(cè)量主桁梁溫度場(chǎng)及其變化，得出鋼桁梁各部位溫度變化情況及最大日照溫度梯度。見圖1。

圖1 溫度傳感器布置

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

選取連續(xù)非降雨期間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。本文選取2020年11月12日—11月20日現(xiàn)場(chǎng)主桁梁溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果，采用連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)平均值并通過擬合處理進(jìn)行分析。

3.1 結(jié)構(gòu)豎向溫度分布特性

選取高塔附近桁架的上層橋面板、腹桿、下層面板、節(jié)點(diǎn)板的測(cè)點(diǎn)溫度來描述鋼主桁梁整體豎向溫度分布特性。

太陽直射下無任何遮擋物的上層橋面板上溫度測(cè)點(diǎn)最高溫度發(fā)生在15：00左右，為41.5℃；最低溫度發(fā)生在7：30左右，為22.5℃，最接近當(dāng)日環(huán)境最低溫度22℃。下層橋面板桿件中心位置處溫度測(cè)點(diǎn)最高溫度發(fā)生在16：30左右，為38.8℃；最低溫度發(fā)生在8：00左右，為23.3℃。斜腹桿中心位置處溫度測(cè)點(diǎn)最高溫度發(fā)生在17：00左右，為32.5℃；最低溫度發(fā)生在8：30左右，為23.8℃。節(jié)點(diǎn)板空間較密閉位置處溫度測(cè)點(diǎn)最高溫度發(fā)生在18：30左右，為31.4℃，最接近當(dāng)日環(huán)境最高溫度30℃；最低溫度發(fā)生在10：00左右，為24.7℃。0：00—7：00期間4個(gè)部位的溫度比較接近，溫差在4℃內(nèi)且該時(shí)間段溫度變化呈線性遞減；10：00—15：00期間4個(gè)部位的溫度均有明顯升高，變化率最大的是上層橋面板處，變化率最小的是節(jié)點(diǎn)板較密閉位置處，變化率從大到小依次是上層橋面板、下層面板、腹桿和節(jié)點(diǎn)板且溫度變化率越大的測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的時(shí)間越早。日照對(duì)上層橋面板的結(jié)構(gòu)溫差影響最大，對(duì)下層節(jié)點(diǎn)板的結(jié)構(gòu)溫差影響最小，出現(xiàn)該情況的原因主要是因?yàn)樯蠘蛎姘褰邮苋照蛰椛浯?。見圖2。

圖2 豎向溫度分布特性

3.2 結(jié)構(gòu)縱向溫度分布特性

結(jié)構(gòu)縱向溫度由橋梁縱向不同截面處的相同構(gòu)件溫度來描述，為減小施工因素對(duì)數(shù)據(jù)采集的影響，選取3個(gè)不同截面位置處下弦桿(測(cè)點(diǎn)2、5、12)溫度樣本來表征鋼主桁整體縱向溫度分布特性。

3個(gè)不同截面位置下弦桿最低溫度均發(fā)生在8：00左右，溫度值幾乎相同，約為18℃；最高溫度均發(fā)生在16：00左右，測(cè)點(diǎn)2、5、12的溫度分別為31.8、30.8、29.3℃。已知測(cè)點(diǎn)2位于長(zhǎng)江岸邊，測(cè)點(diǎn)5位于長(zhǎng)江淺灘區(qū)，測(cè)點(diǎn)12位于長(zhǎng)江深水區(qū)，則越靠近深水區(qū)的下弦桿與大氣溫差越小，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是水的比熱容大且深水區(qū)江水流速快，相比于岸邊和淺灘區(qū)對(duì)鋼桁梁桿件的溫度影響更大。見圖3。

圖3 縱向溫度分布特性

3.3 矩形箱形桿不同面板溫度分布特性

選取24 h背對(duì)太陽光的測(cè)點(diǎn)7和測(cè)點(diǎn)8及午后可照射太陽光的測(cè)點(diǎn)9和測(cè)點(diǎn)10，分析桿件不同照射方向面板溫度分布特性。

測(cè)點(diǎn)7、8、9、10最低溫度均發(fā)生在8：00—9：00，分別為18.0、18.5、19.1、20.0℃；測(cè)點(diǎn)7和測(cè)點(diǎn)8最高溫度發(fā)生在18：00左右，測(cè)點(diǎn)9和測(cè)點(diǎn)10最高溫度發(fā)生在17：00左右，分別為27.3、27.8、30.1、34.6℃。24 h內(nèi)4個(gè)測(cè)點(diǎn)的最低溫度比較接近，但背對(duì)太陽光的測(cè)點(diǎn)7、8最高溫度和溫差明顯低于午后可照射太陽光的測(cè)點(diǎn)9、10，出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因是背對(duì)太陽光的測(cè)點(diǎn)7、8受太陽熱輻射的影響小，而測(cè)點(diǎn)9、10所在方向面板受太陽熱輻射的影響大；測(cè)點(diǎn)7、8的最高溫度滯后于測(cè)點(diǎn)9和測(cè)點(diǎn)10的最高溫度約1 h，出現(xiàn)此現(xiàn)象的主要原因是矩形箱形桿件溫度高的面板向溫度低的面板進(jìn)行熱傳遞。見圖4。

圖4 不同照射方向面板溫度分布特性

4 結(jié)論

1）太陽輻射強(qiáng)度是影響鋼桁梁溫度和溫差分布的關(guān)鍵因素，鋼桁梁桿件隨外界氣溫變化而變化。白天9：00—18:00鋼桁梁溫度變化較大，其他時(shí)間鋼桁梁溫度變化幅度比較平緩。在無太陽輻射情況下，鋼桁梁溫度與外界大氣溫度變化相差不大，一般在2℃以內(nèi)。在太陽輻射情況下，鋼桁梁溫度與外界大氣溫度變化相差較大且晝夜溫差明顯大于外界大氣溫差。

2）鋼桁梁架設(shè)過程中下弦桿溫度明顯低于上弦桿溫度，在施工過程中不僅要及時(shí)考慮溫差對(duì)鋼桁梁拼裝的影響，還要考慮上下層桿件溫差效應(yīng)對(duì)鋼桁梁產(chǎn)生的溫度應(yīng)力差。

3）鋼桁梁不同截面位置的下弦桿溫度不同，水的比熱容對(duì)周邊大氣溫度分布有一定影響，從而影響鋼桁梁縱向溫度變化?！酢?/p>