溫度場對無鋪裝鋼箱梁斜拉橋影響分析

王陽殷立輝張云康朱博文

（1 黑龍江大學水利電力學院；2 黑龍江大學建筑工程學院）

0 引言

隨著科技的發展，人們發現鋼箱梁具有質量輕、抗扭強、強度高、等優點。因此，在大跨度斜拉橋和懸索橋中經常被使用。但由于鋼材對溫度的敏感性較強，鋼箱梁受太陽熱輻射后會產生較大的位移和應力。同時，我國橋梁規范[1]中所采用的豎向溫度梯度模式，不適應沒有橋面鋪裝的情況。為保護橋梁的安全，研究無鋪裝鋼箱梁溫度梯度顯得尤為重要。對斜拉橋主梁溫度效應影響，目前世界上很多國家都在進行研究。

Walter H.Dilger 根據暴露在太陽輻射下的橋梁結構，預測太陽輻射下作用下梁橋的溫度分布，通過相應的參數分析，確定結構產生的溫度影響的差異[2]。美國學者Hoffman 等人根據現場觀測某一座混凝土鋼箱梁溫度監測數據，對新西蘭規范及PCI-PTI 規范采用的設計溫度分布進行了修正[3]。

我國學者方志等在觀測華東地區橋梁后，提出了一種在適合華東地區的箱梁豎向和橫向溫度梯度模式[4]。孫君等對潤揚大橋懸索橋和斜拉橋鋼箱梁的溫度進行觀測，定性分析了扁平鋼箱梁在日照作用下的溫度分布特征[5]。

1 工程概況

該橋梁位于吉林省東部延吉市東側，延龍圖新區內設計里程K2+77.831-K2+697.831，其中主橋長260m。

橋梁為鋼箱梁主梁，混凝土主塔結構。漸變式箱梁，寬度為27m～33m，箱梁中心梁高3.0m，箱梁頂底板和腹板的厚度范圍16～36mm。橋梁雙向四車道布置，兩側分別設置機動車道和人行道。該橋立面圖見圖1。

圖1 橋梁立面圖（單位：m）

2 測點布置及測量儀器

2.1測點布置

該斜拉橋采用逐段吊裝焊接的方式進行鋼主梁施工，主梁溫度場觀測選取中跨最先施工段作為觀測對象。由于該鋼箱梁焊接施工，若在鋼箱梁頂底板和外表面粘貼傳感器容易影響焊接。對于該橋梁來說主梁頂底板和腹板厚度較薄，最大厚度為36mm。同時鋼材熱傳導性能良好，因此將溫度傳感器粘貼在梁頂底板和腹板的內外表面[6]。溫度測點布置如圖2所示。

圖2 觀測截面溫度測點布置

2.2測量儀器和時間

該橋梁選用JMZX-3001B 綜合測試儀和JMT-36C 型溫度傳感器進行溫度測量[7]。由于夜晚溫差波動較小，考慮到實測數據的科學性和工作人員在夜間測溫的安全性，因此采集時間為早上6 時開始，每隔2h 采集一次測點溫度，午夜24時結束溫度采集。

3 測試結果分析

為探究溫度對鋼箱梁的影響，使數據具有代表性，給出5～6 月份鋼箱梁頂底板最大溫差變化趨勢，如圖3 所示。選取晴朗天氣6 月5 日、6 月22 日和陰天2018年5月29日、6月19日的溫度采集數據作為代表研究夏季鋼箱梁溫度場規律[8]。

圖3 頂板與底板最大溫差圖

3.1鋼箱梁整體溫度分布情況

太陽輻射和外界大氣溫度是影響鋼箱梁的主要因素，本文選取延吉市夏季天氣晴朗和陰雨天氣，觀測記錄該橋主梁的溫度變化。6 月5 日和6 月22 日，環境溫度為18.3～34.8℃，天氣晴朗，太陽輻射強；5月29日和6月19日，環境溫度為12.4～25.3℃，天氣陰，太陽輻射較少。將圖2 測點的數據進行處理，得到不同天氣下鋼箱梁頂底板實測平均溫度和環境溫度。

根據溫度實測結果可得，6 月5 日和6 月22 天氣晴朗，太陽輻射大，頂板從6點到14點溫度迅速上升，并在10 點左右超過環境溫度，14 點到24 點頂板溫度迅速下降。底板從6 點到16 點溫度上升且低于環境溫度，在16 點到24 點溫度下降且高于環境溫度。在中午14 點時，鋼箱梁頂底板溫差達到最大值20oC 左右。夜晚24時至早上6 時，頂底板溫度相差較小為2～3oC。5 月29日和6 月19 日天氣陰，太陽輻射小，6 點到14 點頂底板溫度上升，14點到24點溫度下降，且與環境溫度趨勢相同，頂板溫度相差較小。

3.2鋼箱梁沿橫橋向溫度變化情況

頂板直接受太陽輻射影響，溫度變化較大；而腹板和底板只受環境溫度和鋼材熱傳遞影響，溫度變化較穩定。因此，選擇6 月5 日和6 月22 日頂板溫度監測點T內1、T內3、T內5、T內6、T內8、T內10、T內12的溫度數據，研究頂板橫向溫度變化。

由于不同時刻太陽輻射角度不同，溫度趨勢由橋梁中線向兩側逐漸平緩。橋梁中線兩側測點T內5和T內8溫度變化最大，橋梁兩側測點T內1和T內12變化最小，測點最大溫差可達25oC。中線測點T內6溫度小于測點T內5和T內8，分析原因可能是中線位于最高點易受空氣流動的影響。

3.3豎向溫差分析與溫度梯度方程

選取6 月5 日和6 月22 日的外腹板測點T內1、T內13、T內14、T內23溫度變化進行分析，根據溫度實測結果可得，豎向溫度隨著距頂板距離越遠，溫度越低，最高溫度T內1和最低溫度T內23之間最大溫差為4oC。同時，離頂板距離越近波動越大，容易受到環境溫度影響。

為確定無鋪裝鋼箱梁溫度梯度方程，利用最小二乘法對實測數據進行回歸分析[9]。得到腹板沿其截面高度方向的梯度方程如下。

式中：

T0——與腹板對應的頂板上溫度測點的實測溫度，單位℃；

y——腹板上溫度測點距頂板的距離，單位mm。

4 有限元分析

4.1有限元模擬

該斜拉橋采用逐段吊裝焊接的方式進行鋼主梁施工，日照引起的溫度場在頂板和底板之間產生較大的溫差，引起鋼箱梁位移。為確定橋梁的安全，選擇橋梁博士有限元軟件建立斜拉橋模型，探究溫度場對鋼箱梁拼裝的影響，如圖4所示。

圖4 橋梁博士斜拉橋模型

4.2溫差對頂底板位移的影響

打開橋梁博士截面信息，選擇截面定義。在梯度溫度模式中勾選線性溫度1，將6 月22 日頂底板最大溫差時刻的頂板溫度和底板溫度分別輸入上緣溫度和下緣溫度中。再打開施工分析，選擇鋼箱梁焊接階段，梯度溫度中加入線性溫度1。進行計算，得出6 月22 日最大溫差對鋼箱梁產生的位移。如圖5所示。

圖5 6月22日溫度引起的橋梁位移

由圖5 可知，頂底板溫差對鋼箱梁拼裝的主要影響在橋梁端部。在中午12～14 時鋼箱梁頂底板溫差達到最大，溫差使鋼箱梁產生多方位的位移。其中，上下位移正負差達到5.12mm。在端部產生向下的最大位移，在跨中部分產生向上的最大位移。

4.3溫差對頂底板應力的影響

使用橋梁博士軟件對鋼箱梁斜拉橋進行計算，得到6月22日頂底板由于溫差產生的正應力，如圖6所示。

圖6 6月22日頂底板應力

由圖可知，上下翼緣溫差使鋼箱梁頂底板產生較大的正應力。其中橋梁端部應力差值最大，達到185MPa左右。同時，底板端部產生了最大壓應力31.27MPa，橋梁跨中部分產生最大拉應力207.35MPa。

5 結論

通過分析鋼箱梁溫度場數據，結合有限元分析，可得到結論和建議如下：

⑴鋼箱梁受溫度影響較大，白天太陽輻射產生正溫差，頂板溫度遠遠大于底板溫度；晚上鋼箱梁散熱產生負溫差，底板溫度略大于頂板。同時，由于熱傳遞的存在，底板溫度上升和下降比較平緩。

⑵受橋梁角度和太陽照射角度影響，斜拉橋橫向溫度分布并不平均，中間部分溫度高于邊緣溫度。對溫度高的地方施工中應進行處理，防止長時間溫差對鋼箱梁產生破壞。

⑶通過對鋼箱梁實測溫度的回歸分析，得到無鋪裝鋼箱梁施工期間溫度梯度模式，為鋼箱梁的施工提供基礎。

⑷鋼箱梁受溫度影響會產生位移和應力。主梁端部產生向下位移和最大壓應力，在跨中產生向上的位移和最大拉應力。溫差對橋梁位移影響較小，但會對橋梁產生較大的應力。在夏季晴朗天氣下，應注意頂底板溫差對施工期間主梁內力的影響。