中國東南沿海地區鋼箱梁橋日照溫度梯度研究

摘 要：【目的】為獲取沿海地區鋼箱梁的溫度分布模式，需要對其日照溫度梯度進行研究。【方法】結合深中通道某鋼箱梁橋的實測數據，建立鋼箱梁的豎向溫度梯度曲線和橫向溫度梯度曲線，同時將鋼箱梁溫度梯度的計算結果與中國公路橋梁規范和美國規范進行了比較。【結果】研究結果表明，鋼箱梁一天的溫度變化可分為升溫階段和降溫階段；鋼箱梁的豎向最大溫差為13 ℃，對應的溫度梯度曲線可由指數函數來表示；橫向最大溫差為2.25 ℃，對應的溫度梯度曲線可由指數函數來表示；得到的鋼箱梁溫度梯度變化趨勢與中國和美國規范規定的一致，但數值存在一定的差別。【結論】該研究成果能為中國橋梁規范中關于鋼箱梁溫度梯度的相關規定的優化提供參考。

關鍵詞：橋梁工程；熱分析；鋼箱梁；橋梁健康監測；沿海地區；溫度梯度

中圖分類號：U441.5 " " 文獻標志碼：A " "文章編號：1003-5168（2025）06-0059-07

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.06.011

Research on Solar Temperature Gradients of Steel Box Girder Bridges in the Southeast Coastal Region of China

MA Yugang1 " "CHU Yonghao2

（1.Shanghai Traffic Construction General Contracting Co.， Ltd.， Shanghai 200120， China;

2. College of Civil Engineering， Tongji University， Shanghai 200092， China）

Abstract： [Purposes] To obtain the temperature distribution pattern of steel box girders in coastal areas， a study of their solar heat temperature fields has been conducted. [Methods] By integrating the actual measured data from a steel box girder bridge in the Shenzhen-Zhongshan Link， vertical and transverse temperature gradient curves for the steel box girder were established. The calculated temperature gradients of steel box girders were compared with those specified in Chinese highway bridge standards and American specifications. [Findings] The study results indicate that the daily temperature variation of the steel box girder can be divided into a heating phase and a cooling phase. The maximum vertical temperature difference in the steel box girder is 13 ℃. The corresponding temperature gradient curve can be represented by an exponential function. The maximum transverse temperature difference in the steel box girder is 2.25 ℃. The corresponding temperature gradient curve can be represented by an exponential function. The trends in the temperature gradient variations obtained in this study are consistent with those specified in American and Chinese standards， although there are some differences in numerical values. [Conclusions] The research findings can provide a reference basis for the relevant regulations on temperature gradients of steel box girders in Chinese bridge specifications.

Keywords： bridge engineering; thermal analysis; steel box girder; bridge health monitoring; coastal area; temperature gradient

0 引言

隨著全球經濟的快速發展，跨海大橋和沿海地區橋梁的建設日益增多，這些橋梁在提高交通便捷性的同時，也面臨著復雜的環境挑戰。沿海地區特有的氣候條件，如高濕度、鹽霧腐蝕及強烈的日照變化，對橋梁結構的耐久性和安全性提出了更高的要求［1］。鋼箱梁橋作為一種常見的橋梁結構形式，因其強度高、質量輕、剛度大、韌性好、施工方便及焊接性能優良而被廣泛應用［2］。然而，鋼箱梁在日照作用下的溫度分布不均，可能導致結構內部產生溫度梯度，進而引發熱應力，影響橋梁的穩定性和使用壽命［3］。

目前，關于鋼箱梁橋溫度場的研究方法主要分為3類，包括現場實測、數值解析和有限元模擬［4］。丁幼亮等［5］采用假設檢驗方法對扁平鋼箱梁長期溫度監測結果進行了溫度分布特性分析，重點研究了扁平鋼箱梁的橫向溫差和豎向溫差分布特征，在此基礎上建立了6種最不利橫向溫差計算模型。劉揚等［6］通過分析長期實測數據，建立了鋼箱梁年溫差極值的分布模型。在此基礎上，預測設計基準期內的溫差極值，并計算出溫差的標準值。此外，還利用相關系數分析法排除了不實際的溫差模型。但是，溫度實測的周期較長、成本較高，且得到的溫度模式對不同地區橋梁結構的參考意義有限。鑒于此，張玉平等［7］利用ANSYS、ABAQUS等有限元軟件建立了橋梁熱分析模型，分析了橋梁在太陽輻射環境下的溫度分布規律。但這種方法物理意義較為模糊，且計算效率低下。因此，為探明橋梁結構日照溫度場的傳熱原理，一些研究者通過解析法計算了橋梁結構的溫度場。戴公連等［8］結合氣象數據建立了雙對流邊界的一維混凝土結構的溫度場預估模型，采用積分變換法求得了預估模型的級數解。李思陽等［9］根據熱傳導原理，建立帶鋪裝層的扁平鋼箱梁頂板和腹板的溫度場模型，利用積分變換法求得了二者溫度場的解析解。黃民水等［10］以傅里葉熱傳導定律為理論基礎，采用超松弛迭代法，推導了鋼-混組合梁的一維日照溫度場數值計算通用模型。

綜上所述，目前國內對橋梁結構日照溫度場的研究已較為全面。但針對的研究對象都是特定地區的橋梁，不具有普適性。例如，我國東南沿海地區橋梁結構的溫度模式除了受到材料熱物性能影響外，還要考慮近海氣候環境的影響。為此，本研究以中國東南沿海地區某鋼箱梁橋為研究對象，深入分析鋼箱梁在日照作用下的溫度分布特征和溫度梯度曲線，為進一步深入研究環境溫度對鋼箱梁結構性能的影響提供參考。

1 工程概況

某鋼箱梁橋位于廣東省中山市，具體位置為113.53°E、22.44°N，靠近伶仃洋，海拔約0.075 km。該地區處于亞熱帶季風氣候區，這種氣候區四季溫暖，夏季濕熱，冬季溫暖少雪。橋址處的地形如圖1所示。由圖1可知，橋址處地勢平坦，多位于臨海的城鎮，其氣候變化常受到海洋調節的作用，常年較溫和濕潤，年平均氣溫約為21.6 ℃，2023年最高氣溫出現在8月，月平均最高氣溫約為32.45 ℃。因此，該鋼箱梁橋經常受到太陽輻射和海洋季風的影響。

本研究對深中通道淺灘區非通航孔某鋼箱梁橋主梁進行了現場試驗，該鋼箱梁橋的橋位走向為東西走向，高程約為48 m，跨徑組合為6×60 m，如圖2（a）所示。該橋梁設計為雙向8車道，單向車道寬度為4×3.75 m，橋面寬度為40.5 m。其主梁中心線高度為3.5 m，左腹板的高度為3.3 m，右腹板的高度為3.7 m，主梁頂板寬約21.5 m，鋪裝層的厚度為90 mm。在頂板和鋪裝層之間還設有厚度100 mm的C50防水層。該鋼箱梁橋的健康監測系統在主梁跨中截面布置了32個溫度傳感器，傳感器的測試精度為±0.15 ℃，使用量程為－40～＋125 ℃，溫度靈敏性為0.1 ℃。主梁溫度監測截面及傳感器布置如圖2（b）所示，可見溫度測點均布置在主梁跨中截面，其中L1～L7為左腹板的溫度測點，C1～C11為中腹板的溫度測點，R1～R7為右腹板的溫度測點，L1、C1、R1以及T1～T4為鋼梁頂板的溫度測點。A1～A3為氣溫測點，其中A1和A2為箱室內的氣溫測點，A3為箱室外的氣溫測點。由于3個氣溫測點的設置方式都避免了陽光的照射，因此沒有受到太陽直射加熱效應的影響，可以保證其測試結果的準確性。

2 溫度分布特征

鋼箱梁橋結構健康監測系統的溫度傳感器的采集間隔為15 min，由于數據量較大，故篩選出具有典型代表性的48 d（2023年7月15日—2023年9月1日）數據進行分析。

2.1 實測氣溫

鋼梁箱室可以看作一個封閉空間，相較于箱室外的氣溫，箱室內無空氣流動且室內氣溫受太陽輻射影響較小，因此通過實測得到了2023年7月15日—2023年9月1日箱室內和箱室外的氣溫變化規律，如圖3所示。由圖3可知，鋼材的導熱性較好，由太陽輻射產生的熱量會通過梁體傳導到箱梁內部，導致箱內氣溫升高，因此箱內氣溫普遍高于箱外氣溫。同時由于熱空氣上升和冷空氣下沉，箱內上層氣溫始終較箱內下層氣溫高。在2023年8月1日—2023年8月4日的連續高溫天氣下，隨著太陽輻射不斷增強，箱內氣溫與箱外氣溫溫差、箱內上層氣溫與箱外下層氣溫溫差也不斷增大，測試期間箱內與箱外最大氣溫溫差、箱內上層與箱內下層最大氣溫溫差分別為23.5 ℃（8月3日19：00）和18.25 ℃（8月3日19：00）。

2.2 不同位置的溫度分布

2023年8月1日一天當中鋼箱梁不同位置的溫度分布如圖4所示。由圖4可知，由于鋼梁表面無多余遮擋物，因此頂板上不同測點的溫度大小和溫度變化基本保持一致。對于鋼梁腹板沿高度方向上的測點，其隨時間的變化趨勢保持一致，受太陽輻射的影響，同一時刻越靠近頂板的測點溫度越高。且發現不同腹板位置，同一高度的測點溫度大小和溫度變化也幾乎保持一致，這表明在日照溫度作用下，鋼梁內部的熱傳導在垂直方向是相對均勻的。

2.3 豎向溫度分布

2.3.1 豎向溫度分布特征。選取2023年8月1日的溫度實測數據對鋼箱梁的溫度特征進行研究。鋼箱梁左腹板、右腹板及中腹板的豎向溫度分布如圖5所示。由圖5可知，受外界環境因素影響，鋼箱梁在一天當中的豎向溫度分布呈現明顯的梯度現象，可分為升溫階段和降溫階段。鋼箱梁在日出升溫階段，隨著太陽輻射強度的變化，鋼梁左腹板、中腹板和右腹板上的溫度逐漸升高，且均在17：00達到最大值。從18：00開始，鋼箱梁開始進入降溫階段，腹板上所有測點的溫度迅速下降，并逐漸趨于一致。

2.3.2 豎向溫度梯度。鋼箱梁各時刻豎向溫差分布曲線如圖6所示。由圖6可知，鋼箱梁在日照溫度作用下形成的沿高度方向的溫度梯度呈現明顯的非線性，當日鋼箱梁截面左腹板、中腹板和右腹板的豎向最大溫差均發生在16：00，溫差最大值分別為12 ℃、13 ℃和12.75 ℃，因此在鋼箱梁的設計中需要考慮豎向溫度梯度的影響。

鋼箱梁豎向最大溫差發生時刻即為鋼箱梁豎向溫度場最不利時刻［11］。本研究取16：00為豎向溫差最不利時刻，以腹板底部測點為原點，各測點距原點的距離為豎向坐標值，列出此時各測點的溫度及其與一天當中各測點最低溫度的差值，具體見表1、表2和表3。以此繪制2023年8月1日的最不利時刻（16：00）豎向溫差及其擬合曲線，如圖7所示。由圖7可知，鋼箱梁左腹板、右腹板和中腹板的豎向溫差擬合曲線的表達式見式（1）至式（3）。

[y=-8.287e-0.416 3x+3.220] （1）

[y=-7.452e-0.356 2x+3.668] （2）

[y=-5.465e-0.260 5x+3.550] （3）

以上式中：y為測點的豎向坐標，m；x為沿高度方向上不同測點的最大溫差值，℃。由圖7可知，左腹板、右腹板和中腹板豎向溫差擬合曲線的決定性系數R2分別為0.989 44、0.997 58和0.974 66。這表明該溫差擬合曲線的精度滿足要求，可以用來描述日照作用下鋼箱梁的豎向溫差模式。

2.4 橫向溫度分布及溫度梯度

2023年8月1日鋼箱梁頂板的橫向溫度分布如圖8所示。由圖8可知，鋼箱梁頂板受到太陽輻射的直接作用，在日出后，隨著太陽輻射的增大，鋼梁頂板溫度迅速升高，并在16：00達到最高溫度，觀測

可得到鋼箱梁頂板的橫向最大溫差為2.25 ℃（16：00）。同樣選取16：00為橫向溫差最不利時刻，以頂

板最左端測點為原點，各測點距原點的距離為橫向坐標值，列出此時各測點的溫度及其與一天當中各測點最低溫度的差值，具體見表4。以此繪制了2023年8月1日的最不利時刻（16：00）橫向溫差及其擬合曲線，如圖9所示。由圖9可知，鋼箱梁測試截面橫向溫差擬合曲線的表達式見式（4）。

[y=13.962 53+[13.239 559.871 69?π2]?e-2[（x-8.962 9）9.871 69]2]

（4）

式中：y為沿頂板寬度方向上不同測點的最大溫差值，℃；x為測點的橫向坐標，m。由圖8可知，鋼梁頂板橫向溫差擬合曲線的決定性系數R2為0.978 03。這表明該溫差擬合曲線的精度滿足要求，可以用來描述日照作用下鋼箱梁的橫向溫差模式。

3 中、美規范鋼箱梁溫度梯度比較分析

3.1 中國規范（JTG D60—2015）關于溫度梯度的規定

中國規范規定的溫度梯度模式如圖10所示，其中溫度基數的取值見表4。

3.2 美國規范（AASHTO）關于溫度梯度的規定

美國規范規定的溫度梯度模式如圖11所示，其中溫度基數T1和T2的取值見表5，溫度基數T3的取值為0，一般不超過3 ℃。

4 結論

本研究通過橋梁健康監測系統收集了沿海地區某鋼箱梁橋的溫度實測數據，分析了各測點位置處的溫度分布特征，計算了鋼箱梁豎向和橫向的溫度梯度，并與中國規范（JTG D60—2015）及美國規范（AASHTO）溫度梯度的取值方法進行了對比，得出以下結論。

①通過對日照作用下鋼箱梁的溫度分布特征進行研究可知，鋼箱梁一天的溫度變化可分為升溫階段和降溫階段。在日出升溫階段，溫度隨著太陽輻射強度的增大而升高，且在17：00達到最大；從18：00開始，鋼箱梁開始進入降溫階段。

②通過對鋼箱梁的溫差分布和溫度梯度曲線進行研究發現，在測試期間，鋼箱梁豎向最大溫差為13 ℃，其對應的溫度梯度曲線可由指數函數來表示；橫向最大溫差為2.25 ℃，其對應的溫度梯度曲線可由指數函數來表示。

③通過將計算得到的豎向梯度溫度模式與中國規范和美國規范的溫度梯度進行比較，結果表明，其變化分布趨勢與美國規范規定的一致，但數值存在一定的差別。此外，建議補充完善中國《公路橋涵設計通用規范》中關于鋼箱梁溫度梯度的規定。

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