武漢地區(qū)小箱梁橋溫度場(chǎng)與敏感性分析研究*

程仁慧 黃 峰 王 瑩 王亞飛 龔偉康 楊宏印,

(1.武漢工程大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 武漢 430074； 2.武漢臨空經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)投資開發(fā)集團(tuán)有限公司 武漢 430000；3.橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430034)

混凝土小箱梁橋較之T梁擁有更大的抗彎剛度，并且重心偏低，各梁之間橫向傳力充分，受力均勻，底板偏平，不易發(fā)生側(cè)翻，因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式成為現(xiàn)代城市交通不可或缺的重要組成部分[1-2]。

我國幅員遼闊，氣候復(fù)雜多樣，全國各地的氣候各不相同，同一地點(diǎn)的氣候每時(shí)每刻也在發(fā)生變化。橋梁處于多變復(fù)雜的外部環(huán)境中，結(jié)構(gòu)的溫度分布也不同[3]。在橋梁位置、外部環(huán)境、使用材料及截面形式等因素的影響下，不同結(jié)構(gòu)形式、不同材料的橋梁，其溫度分布有著明顯的區(qū)別，現(xiàn)有研究大多聚焦于單一橋梁，且多以T梁橋?yàn)橹鳎狈?duì)于小箱梁橋的研究。

影響橋梁溫度分布的因素為可變因素和不可變因素。可變因素包括輻射、氣溫、風(fēng)速、濕度等氣象因素及地震等突發(fā)事故和施工、行車等人為影響，本文研究主要討論氣象因素的影響。不可變因素則包括橋梁的材料、結(jié)構(gòu)類型、橋梁走向、海拔等橋梁自身因素。

現(xiàn)有研究表明，對(duì)于橋梁可變影響因素來說，太陽輻射、氣溫、風(fēng)速對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的溫差影響最大，且太陽輻射的影響最為顯著，橋梁在不均勻的溫度分布下將產(chǎn)生較大的溫度變形[4-6]。此外，橋梁受到建筑物、樹木等物體的遮擋，橋梁結(jié)構(gòu)的溫度分布更加復(fù)雜。對(duì)于橋梁來說，其材料、結(jié)構(gòu)形式等不可變因素是確定的，不會(huì)發(fā)生太多更改，但氣象環(huán)境等可變因素卻在時(shí)刻變化，也在時(shí)刻影響橋梁的正常運(yùn)營使用。

本文以武漢地區(qū)高架橋小箱梁部分為研究對(duì)象，借Taitherm軟件建立該橋梁的仿真模型，由實(shí)測(cè)與仿真對(duì)比，驗(yàn)證了軟件分析的合理性。針對(duì)可變的氣象條件進(jìn)行研究，通過控制變量法分析影響橋梁結(jié)構(gòu)的氣象因素，根據(jù)夏季最熱月的天氣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。選出最不利溫度梯度，把最不利溫度梯度與我國小箱梁橋設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)規(guī)范在橋梁部分結(jié)構(gòu)是偏不安全的。

1 仿真模型準(zhǔn)確性的驗(yàn)證

1.1 工程概況

本文以武漢市某東西走向的高架橋?yàn)楣こ瘫尘埃诙糠譃榈冉孛婊炷料淞?×25 m，混凝土小箱梁采用單箱單室截面，小箱梁頂板寬總長13.25 m，左、右翼緣寬0.6 m，小箱梁頂板鋪設(shè)9 cm厚的瀝青混凝土，10 cm厚的C50混凝土調(diào)平層，10 cm厚頂板，腹板厚30 cm，底板厚16 cm。實(shí)際工程中在小箱梁橋上，布置了溫度傳感器、振弦應(yīng)變計(jì)及拉繩位移計(jì)等各式傳感器，用來采集監(jiān)測(cè)小箱梁橋?qū)崟r(shí)溫度、應(yīng)力，以及位移變化情況。傳感器采集頻率均為10 min/次。其中，混凝土小箱梁上一共布置布設(shè)16個(gè)溫度傳感器，橋梁頂板翼緣處布置了2個(gè)溫度傳感器，用于收集頂板溫度數(shù)據(jù)；梗腋處至腹板底一共布置了5個(gè)傳感器，用于收集沿腹板高度方向溫度數(shù)據(jù)；底板正中間上布置了1個(gè)溫度傳感器，用于收集底板溫度數(shù)據(jù)。混凝土小箱梁橋的溫度傳感器布置圖見圖1。

圖1 小箱梁溫度傳感器布置圖(單位：cm)

1.2 仿真模型的建立

采用ANSYS軟件建立橋梁各個(gè)部位的幾何模型，利用編譯軟件Hypermesh作為連接的平臺(tái)，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，轉(zhuǎn)化為ANSYS可讀取的文件，最后在熱力學(xué)仿真Taitherm中賦予材料的特性，導(dǎo)入天氣文件，從而進(jìn)行溫度場(chǎng)的計(jì)算。小箱梁橋共建立26個(gè)面，除底板由Taitherm劃分5層外，其余各劃分為6層，不同的板front和back所接觸的氣象條件也不一樣，模型一共有17 680個(gè)單元，其仿真模型和材料特性見圖2和表1。

圖2 小箱梁橋仿真模型

表1 結(jié)構(gòu)材料屬性表

1.3 仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比

Taitherm采用物理方法求解熱傳導(dǎo)、輻射和對(duì)流，在模擬實(shí)際橋梁狀況時(shí)，考慮邊界條件，能夠模擬到實(shí)際三維環(huán)境中遇到的溫度條件，利用其建立模型后，在模型上賦予實(shí)際的天氣文件和地理位置及太陽、風(fēng)和云等的實(shí)際情況。根據(jù)模型求解出的結(jié)果與實(shí)際工程監(jiān)測(cè)的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性。

在實(shí)際工程中，對(duì)橋梁進(jìn)行為期2年的監(jiān)測(cè)，本橋梁最不利溫度分布一般出現(xiàn)在太陽輻射強(qiáng)烈的夏季，特別是對(duì)于武漢來說，夏季高溫高濕的天氣更易使橋梁產(chǎn)生溫差[6]。結(jié)構(gòu)所處的位置和太陽所照射強(qiáng)度和時(shí)長的不同，橋梁不同結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的溫差也是不同的。對(duì)于橋面和底板，在白天橋面首先受到陽光照射，溫度迅速升高，橋梁底板由于受到遮擋，溫度升高時(shí)間稍微延后，升溫幅度小；在夜晚由于沒有太陽輻射，橋面空氣流動(dòng)性較大，溫度很快降低，而橋梁底板由于處在下方被遮擋，空氣流動(dòng)性相對(duì)較小，故溫度降低速度慢幅度小。小箱梁分內(nèi)室與外表，就底板而言，外表底板與內(nèi)室底板的溫度顯然不同，按空間模型考慮，在橫向方面，各梁和每梁底板的內(nèi)外各點(diǎn)的溫度也有略微的差別；就腹板內(nèi)外面的溫差，按空間模型考慮，在橫向差別較小，在豎向沿高度方向的溫差較大，最為明顯的為太陽照射，結(jié)構(gòu)所處的高度空氣對(duì)流程度的不同和翼緣遮擋程度的不同，對(duì)結(jié)構(gòu)的豎向溫差影響較大。以夏季最炎熱的8月為例，腹板和底板實(shí)測(cè)與仿真溫度對(duì)比結(jié)果見圖3。

圖3 2019年8月仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比

由圖3可知，混凝土小箱梁溫度仿真基準(zhǔn)結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)大致吻合，驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。因仿真模型相關(guān)參數(shù)的賦予和實(shí)際橋梁所處環(huán)境無法完全一樣，故在計(jì)算結(jié)果上可能會(huì)出現(xiàn)一定的偏差，且每月的初始幾天會(huì)因?yàn)檫吔绮皇諗浚抡媾c實(shí)測(cè)值之差較為明顯，其余時(shí)間段橋梁不同部位溫度變化吻合度都很高，說明所建的仿真模型可以作為計(jì)算溫度場(chǎng)的基準(zhǔn)模型[7]。

2 影響溫度梯度的氣象因素

氣象因素是影響橋梁日照溫度場(chǎng)的主要因素之一，在氣象因素中，氣溫、風(fēng)速和輻射對(duì)橋梁溫度梯度影響較大。為了解這3種氣象因素對(duì)橋梁的影響程度，基于實(shí)際工程模型，采用控制變量法分別研究各氣象因素對(duì)混凝土箱梁的影響，利用化“1”原則，以7-9月份橋梁實(shí)際氣象條件為基準(zhǔn)，將影響氣溫的3個(gè)參數(shù)相對(duì)于基準(zhǔn)環(huán)境條件進(jìn)行折減，根據(jù)參數(shù)折減的強(qiáng)度算出相應(yīng)的最不利溫度梯度與初始條件下溫度梯度對(duì)比。

氣象因素對(duì)小箱梁豎向溫度的影響見圖4，基于建立的混凝土小箱梁仿真模型，采用控制變量將2019年7-9月的氣象數(shù)據(jù)依次按20%的等差進(jìn)行遞增，其余的參數(shù)保持一樣，分別計(jì)算氣溫、風(fēng)速和輻射對(duì)橋梁豎向溫度的影響。圖中0.6表示外部條件在其他條件不變的情況下，控制單一影響因素為實(shí)際環(huán)境狀態(tài)下對(duì)應(yīng)因素的60%豎向溫度曲線，0.8,1.2,1.4曲線同理。

圖4 氣象因素對(duì)小箱梁豎向溫度的影響

由圖4b)可知，氣象因素中輻射對(duì)橋梁的豎向溫度影響最大，氣溫第二，風(fēng)速影響較小，同時(shí)從圖4 a)和 c)可看出，氣溫和輻射與橋梁豎向溫度梯度成正比，風(fēng)速則與豎向溫度梯度成反比，三者對(duì)橋梁豎向溫度梯度的影響主要集中在梁頂和梁底。對(duì)影響橋梁豎向溫度梯度的參數(shù)進(jìn)行數(shù)值分析，溫度梯度模式數(shù)值對(duì)比結(jié)果見圖5。

圖5 溫度梯度模式數(shù)值對(duì)比圖

由圖5可見，當(dāng)氣溫增加(減少)20%時(shí)，混凝土小箱梁豎向正溫差增加(減少)5%，最大負(fù)溫差增加(減少)8%；當(dāng)風(fēng)速增加(減少)20%時(shí)，混凝土小箱梁豎向正溫差減少(增加)4%，最大負(fù)溫差減少(增加)8.4%；當(dāng)輻射增加(減少)20%時(shí)，混凝土小箱梁豎向正溫差增加(減少)15%，最大負(fù)溫差增加(減少)19%，研究發(fā)現(xiàn)，正、負(fù)溫度相比，梁底負(fù)溫差對(duì)氣象參數(shù)的敏感性更高。輻射、氣溫和風(fēng)速對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)均有影響，輻射、氣溫和風(fēng)速改變的越大對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響也就越大，輻射和氣溫強(qiáng)度越大，結(jié)構(gòu)的溫度梯度也變大，風(fēng)速強(qiáng)度越大則溫度梯度變化變小，反之亦是。

3 最不利溫度梯度

由于本文混凝土小箱梁采用的是90 mm厚的瀝青鋪裝層，依據(jù)我國現(xiàn)行JTG D60-2018 《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》，計(jì)算對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)由于豎向溫度梯度引起的效應(yīng)時(shí)，采用雙折線形式的豎向溫度梯度曲線，由于規(guī)范中所規(guī)定的數(shù)值是根據(jù)橋面鋪裝層的厚度來決定且規(guī)定的瀝青鋪裝層厚度為50 mm和100 mm[8-9]，但本橋采用90 mm鋪裝層，因此根據(jù)內(nèi)插法可算出此小箱梁的T1=15.2 ℃，T2=5.74 ℃。

從現(xiàn)有研究來看[7-8]，橋梁最不利溫度分布一般出現(xiàn)在太陽輻射強(qiáng)烈的夏季，對(duì)于武漢，夏季高溫、高濕的天氣和冬季寒冷天氣更易使橋梁產(chǎn)生最不利溫度分布。通過計(jì)算實(shí)測(cè)平均氣溫，得出2019年最低平均氣溫在1-3月份，最高平均氣溫在年7-9月份；本文對(duì)1-3和7-9共6個(gè)月份數(shù)據(jù)按小時(shí)進(jìn)行分析，在4 416個(gè)數(shù)據(jù)中可判斷出8月13日14：00時(shí)和1月19日03:00時(shí)，是溫差達(dá)到最大值的時(shí)刻，本文以最大時(shí)刻的溫度梯度作為夏季最不利溫度和冬季最不利溫度分別與我國規(guī)范對(duì)比，在驗(yàn)證規(guī)范合理性的同時(shí)給予武漢市小箱梁橋溫度梯度提供參照，實(shí)測(cè)與規(guī)范對(duì)比結(jié)果見圖6。

圖6 小箱梁溫度梯度實(shí)測(cè)與規(guī)范值對(duì)比

由圖6可見，規(guī)范在豎向溫度曲線上的規(guī)定在對(duì)于混凝土橋梁的底板處是偏不安全的，應(yīng)該引起制定規(guī)范人員的重視。

4 結(jié)語

1) 對(duì)武漢市某混凝土小箱梁橋溫度場(chǎng)和氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行長期監(jiān)測(cè)，采用熱力學(xué)軟件建立小箱梁的仿真模型，并對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、處理和分析，結(jié)果表明，實(shí)測(cè)與仿真模型吻合程度較好，說明用該軟件計(jì)算和分析橋梁?jiǎn)栴}有較高的準(zhǔn)確性。

2) 在武漢市對(duì)小箱梁氣象參數(shù)通過控制變量法和化“1”原則，分別研究各主要?dú)庀髤?shù)對(duì)小箱梁的影響，結(jié)果表明主要?dú)庀笠蛩刂休椛鋵?duì)日照下箱梁豎向最大溫度梯度影響最大，氣溫次之，風(fēng)速影響最小，同時(shí)表明氣溫和輻射與豎向溫度梯度呈正比，風(fēng)速與豎向溫度梯度呈反比。

3) 通過對(duì)小箱梁橋夏季和冬季實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，得出最不利溫度梯度出現(xiàn)的時(shí)刻且與我國現(xiàn)有規(guī)范進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比發(fā)現(xiàn)現(xiàn)行城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范的溫度梯度曲線在混凝土小箱梁的底板處是偏不安全的，以此為本市小箱梁的設(shè)計(jì)人員提供參照，也希望引起規(guī)范制定人員的重視。