梯度溫度對鋼箱梁應力影響的測試和分析

王 哲

（中交三航局第三工程有限公司，江蘇南京 210011）

引言

自然環境下對結構產生影響的溫度作用有三種：季節溫度作用、日照溫度作用和驟然升降溫作用，而日照作用下產生的溫度梯度作用對無鋪裝層鋼箱梁的影響最大，其溫度場也最為復雜。由于鋼箱梁導熱性能好，鋼箱梁表面溫度變化趨勢跟大氣溫度變化基本一致，但是由于鋼箱梁結構尺寸、橋位走向和太陽輻射角度等因素造成鋼箱梁各表面吸收的太陽輻射是不盡相同。由此導致鋼箱梁截面在豎向形成較大的溫差，從而形成溫度梯度。

由于溫度梯度作用對橋梁結構的損害逐漸被工程人員發現，國內外學者開始研究溫度應力對橋梁結構的影響，學者們依據溫度實測數據，制定了適用于本國各地區的溫度梯度模式，最終形成業界規范條文。

但是各國的氣候條件、地理位置、太陽輻射強度、日照長度以及橋梁結構等因素差異較大，造成各國制定的規范也各有差異。同時，近年來隨著有限元軟件的發展，國內外學者根據實測數據和有限元軟件對溫度梯度進行研究，認為在高溫天氣和驟然降溫的情況下，鋼箱梁溫度梯度分布不是簡單的線性函數關系，采用分段函數形式較為合理。

1 項目背景

根據南京市濱江風光帶綠道規劃，本項目自西向東，起于和記洋行，跨越金川河，毗鄰大橋公園，全長約900 m。道路等級為人非專用道。沿線主要設有主線曲線、圓環輔橋各一座，本文針對圓形輔橋進行展開。輔橋橋跨布置為4.35+2×27.75+37（跨金川河）+2×27.75+4.35 m，橋面全寬6 m。

圖1 圓環輔橋鋼箱梁三維示意

輔橋主梁采用連續箱梁結構，全線等高等寬，橋寬6 m，梁高1.6 m，橫橋向對稱布置2個獨立的單箱單室，2個箱室之間通過橫梁連接協同受力，橫梁沿橋梁縱向1.5 m間距布置，箱梁之間布置3 m寬橋面玻璃，玻璃采用三層鋼化夾膠玻璃。每個箱梁頂板寬1.5 m，底板寬0.7 m，內側腹板垂直布置，外側傾斜腹板布置，與頂底板采用線性直線過渡。箱梁頂板厚度16 mm，箱梁底板厚度16 mm，箱梁腹板厚度14 mm。

2 基于不同規范的溫度梯度影響分析

由于我國現行的《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2015）基本借鑒了美國AASHTO中關于溫度梯度作用的方法，而英國BS5400規范對橋梁結構溫度作用的規定更為詳細，不同的橋梁結構型式采用相應的豎向溫度作用。英國BS5400橋梁規范將橋梁按結構型式分成四種類型來分析豎向溫度分布，具體分類如下：

第一類：鋼箱梁上鋪設鋼橋面板；

第二類：鋼桁架梁或鋼板梁上鋪設鋼橋面板；

第三類：鋼箱梁以及鋼桁架梁或鋼板梁上鋪設混凝土橋面板；

第四類：混凝土梁或混凝土箱梁上鋪設混凝土橋面板。

并分別規定了相應的豎向溫差分布，包括從太陽輻射吸收熱量引起的正溫差，和由于結構表面向外界散發熱量所引起的負溫差，對于不同的橋梁結構類型，其中鋼箱梁的溫差分布模式如圖2所示。

圖2 英國BS5400規范鋼箱梁溫度梯度作用分布

英國BS5400規范的正溫差分布Ty+由上部四折線組成，即：

式中：y為計算點至梁頂的距離（m）。

該橋鋪裝層為厚度6 mm的瀝青鋪裝層，厚度較小，忽略其鋪裝層厚度，按照第一類結構型式進行分析。在Midas Civil中施加梁截面溫度作用，頂板上表面、頂板的下表面、距頂板距離0.1 m、0.3 m、0.6 m和底板六個位置的截面溫度，自上而下分別為30℃、27.76℃、16℃、6℃、3℃和0℃。

圖3 中國規范鋼箱梁溫度梯度作用分布

圖中：y為距面板的距離；t為鋪裝高度，且100＜t＜100+A，A為溫差梯度區段尺寸，當上部為混凝土且h≥400 mm時，A=300 mm，h＜400 mm時，A=（h-100）mm，當混凝土橋面板為鋼結構時，A=300 mm。

表1 中國規范JTG D60-2015的溫差基數

在Midas Civil中施加梁截面溫度梯度作用，其中，頂板上表面、頂板的下表面、距頂板距離0.1 m、0.4 m和底板五個位置的截面溫度，自上而下分別按照25℃、22.4℃、6.7℃和0℃進行施加，得到不同規范下的鋼箱梁組合應力分布圖。

為了描述位置方便，按照順時針方向對橋墩進行編號，順時針方向分別為0#墩、1#墩，以此類推；對支座外弧、內弧分別編號1、2，支座編號即0-1#、0-2#、1#、2#、3#、4#、5-1#、5-2#支座。

按照英國BS5400和中國JTG D60-2015中規定施加溫度梯度作用，由表2可以看出，溫度作用對軸向應力、Sby影響較??；其中，中英規范溫度作用下，第三跨Sby均內弧受拉，外弧受壓。

表2 不同規范下鋼箱梁最大應力

由于中國規范相對于英國BS5400規范中溫度梯度，中國規范的溫度梯度數量較少，離頂板底部距離超過400 mm處的溫度即沒有變化，而英國BS5400豎向溫差減小速率相對較低，分4段溫度逐段降低，溫差產生的組合應力較大。

3 基于實測數據的溫度梯度影響分析

1）監測儀器。紅外測溫槍，精度±0.1℃。

2）監測位置。鋼箱梁對溫度敏感，為了充分考慮溫差對鋼箱梁的影響，同時結合實橋測試采集工作的便捷性，選擇在邊跨鋼箱梁外側腹板作為測試斷面。

3）測點數量。選擇鋼箱梁沿選取截面豎向進行溫度監測，為了準確地反映鋼箱梁的截面溫度梯度情況，沿截面豎向加密布置測點，間隔距離為10 cm，梁高1 600 mm，測點共布置16個。

4）監測時間。為反映鋼箱梁溫度梯度作用的實際情況，選取日照影響突出的晴朗天氣，具體監測時間段為上午9:00至下午17:30（溫度趨于穩定）。分成9:00、11:00、12:30、15:30、17:30共5個測溫時刻，分析一天中不同時刻下溫度梯度作用對鋼箱梁應力的影響。通過測量腹板位置的溫度變化，統計一天中5個具有代表性時刻的梯度溫度值，如表3所示。

表3 實橋梯度溫度變化表/℃

圖4 不同時刻腹板溫度隨頂板距離變化

5）有限元溫度梯度分析

通過Midas Civil軟件結合實橋監測的溫度數據對圓形輔橋施加豎向實橋溫度梯度作用。

不同時刻下不同位置的內外側最大組合應力差值數據如表4所示，其變化趨勢如圖5所示。

表4 不同位置內外弧側應力差值/MPa

圖5 內外弧最大組合應力差值隨墩號分布

可以看出，在1#墩、4#墩附近，內弧側最大組合應力小于外側，而0#墩、2#墩、3#墩、5#墩附近內側大于外側，具體最大應力數值如表5所示。

表5 不同時刻下鋼箱梁橋最大應力/MPa

繪制點線圖如圖6所示。

圖6 不同時刻下各應力變化

可以看出，該環形輔橋軸向應力和Sby一天中隨著時刻的變化較小，基本維持在10 MPa之內，而組合應力和Sbz隨時間的變化波動較大，應力值介于-30～-70 MPa之間。

4 結論

1）應力的差異。軸向最大應力與以中、英規范規定的溫度梯度作用模擬下的最大應力較為接近。實橋監測的軸向應力、Sby差異較小，均位于10 MPa之內；而Sbz和組合應力差異較大，應力值介于-30～-70 MPa之間。

2）規范差異。由于中國規范相對于英國BS5400規范中溫度梯度段劃分的數量較少，離頂板底部距離超過400 mm處的溫度即沒有變化，英國BS5400規范豎向溫差分4段溫度逐段降低，溫差產生的組合應力較大。

3）內外弧受力差異。在溫度梯度作用下，內外弧受力存在差異，在1#墩和4#墩附近，內弧側最大組合應力小于外側，而0#墩、2#墩、3#墩和5#墩附近內側大于外側。1#墩和4#墩為單支座（約束能力較?。?#和3#墩為墩梁固結（約束能力較大），內外弧應力差異與邊界條件的約束能力有關。

4）本文研究對象為主墩采用墩梁固結的圓形輔橋梯度溫度影響，為類似橋梁設計與施工提供了借鑒依據。