李自林，李長輝，陳國勝，張文卷

（1.天津城建大學(xué)土木工程學(xué)院，天津 300384；2.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072；3.中鐵十八局集團(tuán)第二工程有限公司，河北唐山 064000）

無鋪裝層扁平預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁的溫度梯度研究

李自林1，李長輝2，陳國勝3，張文卷3

（1.天津城建大學(xué)土木工程學(xué)院，天津 300384；2.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072；3.中鐵十八局集團(tuán)第二工程有限公司，河北唐山 064000）

溫度應(yīng)力是影響大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)使用性能的最主要因素之一，準(zhǔn)確的溫度場分布模型是計算結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力的基礎(chǔ)．基于子牙河特大連續(xù)梁橋監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，得出截面不同位置溫度隨時間的變化規(guī)律，提出了無鋪裝層扁平混凝土箱梁豎向、橫向溫度梯度擬合公式，并應(yīng)用ANSYS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬．結(jié)果表明：扁平混凝土箱梁橫向溫度分布具有明顯的對稱性，頂板橫向不同位置溫差較大，腹板和底板位置橫向溫差較??；豎向溫度梯度可以用指數(shù)函數(shù)加一次函數(shù)的形式進(jìn)行擬合；橫向溫度梯度可以用一次函數(shù)分段表示，所得結(jié)論對于類似橋梁的理論研究、設(shè)計及施工具有很好的參考價值．

橋梁工程；扁平預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁；日照溫差效應(yīng)；溫度梯度

0 引言

日照溫度變化對橋梁結(jié)構(gòu)影響顯著，確定其合理的溫度場是對日照溫度變化引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行分析的前提和關(guān)鍵．我國的《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》(TB10002.1-2005)只給出了有鋪裝層混凝土梁溫度梯度公式．對于無鋪裝層混凝土箱梁而言，由于橋面板直接受到太陽照射，溫度變化將更加顯著．

目前，國內(nèi)外對于混凝土箱梁溫度梯度研究較多，對無鋪裝層混凝土箱梁溫度梯度的研究較少．對混凝土箱梁豎向溫度梯度研究較多，對其橫向溫度梯度研究相對較少．文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]對施工階段無鋪裝層箱梁溫度場進(jìn)行了研究，但主要偏重于考察日照溫差對施工階段結(jié)構(gòu)線形和內(nèi)力的影響，并未給出無鋪裝層箱梁溫度場的梯度模式．文獻(xiàn)[3]著重對混凝土箱梁的豎向溫度梯度進(jìn)行研究，并未考慮混凝土箱梁橫向溫度梯度的影響．隨著混凝土箱梁在大跨徑連續(xù)梁橋和斜拉橋中的廣泛應(yīng)用，為了較準(zhǔn)確地考慮日照溫度變化對無鋪裝層混凝土箱梁的影響，對其日照溫度場進(jìn)行深入的研究顯得尤為迫切．

本文以津保鐵路引入天津西站工程子牙河特大連續(xù)梁為工程背景，對其無鋪裝層混凝土箱梁進(jìn)行了為期半年的現(xiàn)場監(jiān)測，并對實測溫度進(jìn)行計算和比較；采用指數(shù)函數(shù)加一次函數(shù)的形式對無鋪裝層混凝土箱梁豎向溫度梯度進(jìn)行了擬合，采用一次函數(shù)的形式對橫向溫度梯度進(jìn)行了擬合，并借助軟件ANSYS對擬合的豎向、橫向溫度梯度曲線進(jìn)行對比驗證．

1 扁平箱梁溫度測點布置及測試結(jié)果分析

現(xiàn)場實測對象為在建津保鐵路引入天津西站工程子牙河特大橋道岔連續(xù)梁，主橋跨徑30.226 m+ 1 131.176 m+30.226 m，東西走向．橋梁上部結(jié)構(gòu)為單箱多室預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，采用C55混凝土，箱梁頂板梁寬23.2 m，懸臂寬1.9 m，橋面等高度3 m，具體尺寸如圖1所示．由于橋梁結(jié)構(gòu)對稱，選取1/2結(jié)構(gòu)布置測點，圖2為津保鐵路引入天津西站工程子牙河特大橋道岔連續(xù)梁溫度監(jiān)測斷面的傳感器布置示意圖，測試斷面為連續(xù)箱梁的跨中斷面，每個斷面共有23個溫度測點，本文選取單箱四室箱梁的一跨跨中斷面的溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析．

圖1 箱梁截面尺寸圖Fig.1 Box beam section size

圖2 溫度傳感器布置圖Fig.2 Thermal observation points position

對津保鐵路引入天津西站工程子牙河特大橋道岔連續(xù)梁2014年5月～10月的溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析．以2 h為基本時距對溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析．研究發(fā)現(xiàn)，一日大氣溫度的實測曲線是類似正弦曲線，在此規(guī)律的基礎(chǔ)上，選取50 d天氣良好的溫度實測數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，得出橋址地區(qū)溫度數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分布特征．

圖3 橋址環(huán)境溫度Fig.3 Environmental temperature around the bridge

圖3為橋址環(huán)境溫度實測結(jié)果（10月5日、10月6日），從10月5日早上8時開始記錄．第1日大氣溫度最大溫差為6℃，梁頂日最大溫差為1.9℃，梁底日最大溫差為0.5℃；第2日大氣最大溫差為9℃，梁頂日最大溫差為1.7℃，梁底日最大溫差為0.5℃．實測結(jié)果表明，梁頂由于受到太陽的直接照射，其氣溫變化幅度明顯，一日大氣最高溫度出現(xiàn)在14:00，但梁頂?shù)淖罡邷囟鹊?天出現(xiàn)在16:00，第2天也出現(xiàn)在16:00，以往研究表明，混凝土是熱的不良導(dǎo)體，在外界氣溫等邊界條件發(fā)生變化時，需要一定時間才能對板件內(nèi)部的混凝土產(chǎn)生影響[4]．實測數(shù)據(jù)表明，梁體的溫度并未隨大氣溫度變化而立刻變化，而是出現(xiàn)了明顯的滯后現(xiàn)象，滯后時間平均在2 h左右．由于翼緣板的存在，腹板、梁底不能受到太陽的直接照射，在一日之中溫度基本穩(wěn)定，保持在23～25℃．

圖4為梁截面各測點的實測溫度．由實測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，橫向分布的各等高測點具有相同的溫度變化規(guī)律，在一天中的同一時刻達(dá)到溫度的峰值，且溫度變化曲線趨勢相同．腹板和底板溫度變化較小，基本不變，相對于腹板和底板測點，梁頂各測點溫度隨外界溫度變化明顯，且存在較大的橫向溫差，越接近截面中部，測點溫度越高，最大橫向溫差為4℃．

圖4 等高測點溫度比較Fig.4 Equal altitude temperature comparison

2 豎向溫度梯度模式

在混凝土箱梁橋中考慮日照溫度場對梁體影響時，一般取梁體頂板、底板產(chǎn)生最大溫差時所對應(yīng)的豎向溫度梯度進(jìn)行研究．為此，針對津保特大鐵路橋進(jìn)行為期半年的數(shù)據(jù)測量，提取其中日照最強(qiáng)烈、規(guī)律性較強(qiáng)的50組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)合以往研究經(jīng)驗，應(yīng)用最小二乘法擬合箱梁豎向?qū)崪y溫度數(shù)據(jù)，最終確定扁平箱梁豎向溫度梯度擬合公式(1)，如圖5所示，距離梁頂1 m范圍內(nèi)按指數(shù)函數(shù)形式擬合，1～2 m范圍內(nèi)按線性形式擬合，2 m以上豎向溫差為0．

式中：T1和T2為扁平箱梁豎向溫度梯度基數(shù)，T1=25，T2= 10；y為測點到梁頂板的距離，m；a為扁平箱梁豎向溫度梯度計算參數(shù)，a=2.0．

在選取的50組數(shù)據(jù)中，大部分溫度實測值與測點擬合值離散性較小，差值在1以內(nèi)；個別差值較大測點，擬合差值在3以內(nèi)．

圖5 豎向溫度梯度/cmFig.5 Vertical temperature gradient of box girder

3 橫向溫度梯度模式

如上所述，梁中、梁底位置混凝土箱梁橫向溫度測點梁體溫度隨外界溫度變化很小，并沒有表現(xiàn)出明顯的橫向溫差；但在梁頂面上，由于太陽的直接照射，不同橫向位置出現(xiàn)了較大的橫向溫差．

實測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在不同的時間記錄點，溫度分布曲線趨勢相同，說明橫向溫度梯度存在明顯的規(guī)律性．由于結(jié)構(gòu)對稱，取1/2結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算，以梁中心為坐標(biāo)原點，應(yīng)用最小二乘法擬合橫向?qū)崪y溫度數(shù)據(jù)，最終確定扁平箱梁橫向溫度梯度分布，如圖6所示．其中，翼緣板和頂板呈現(xiàn)反向溫度梯度分布模式．

式(2)和式(3)分別為翼緣板、頂板橫向溫度梯度公式．式中，A1、A2、B1、B2為扁平箱梁豎向溫度梯度基數(shù)，A1=0.87，B1=6.96，A2=0.375，B2=3．

選取夏季7月5日14:00實測數(shù)據(jù)與擬合曲線公式進(jìn)行對比，如圖7所示．在選取的50組數(shù)據(jù)中，大部分溫度實測值與測點擬合值離散性較小，差值在1以內(nèi)；個別差值較大測點，擬合差值在2以內(nèi)．

4 有限元對比分析

運用有限元軟件ANSYS的瞬態(tài)熱分析對混凝土箱梁溫度場進(jìn)行理論分析，選用四邊形單元PLANE55，計算時間為上午8:00至第2天上午8:00，將太陽輻射強(qiáng)度、熱輻射、對流換算為綜合換算系數(shù)施加于模型邊界上，同時每隔2 h為一個荷載步施加溫度荷載，分為12個荷載步，荷載步之間的溫度按線性插值計算．根據(jù)實測數(shù)據(jù)并參考相關(guān)文獻(xiàn)，得到有限元模型所需的混凝土物理參數(shù)和熱傳導(dǎo)計算參數(shù)值，如表1～表3所示，并設(shè)定鋼箱梁梁體初始溫度為30℃．

表1 混凝土物理參數(shù)Tab.1 Physical parameters of concrete

表2 綜合換算系數(shù)計算表Tab.2 Comprehensive conversion coefficient

表3 大氣實測溫度表Tab.3 Atmospheric temperature of the bridge site

圖6 橫向溫度梯度Fig.6 Transverse temperature gradient of box girder

圖7 實測溫度曲線與擬合溫度曲線對比Fig.7 The measured curve compared with the fitted curve

圖8 箱梁單元劃分圖Fig.8 Element mapp ling of box girder

不考慮溫度沿縱橋向的變化[10]，按實際尺寸建立模型，如圖8所示．

在子牙河特大橋道岔連續(xù)梁施工過程中，選擇一跨跨中截面進(jìn)行溫度場觀測，測點布置見圖2所示，共布置了23個溫度測點，每隔2 h對所有測點觀測一次．選取夏季7月5日14:00實測數(shù)據(jù)和對應(yīng)有限元計算結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果如圖9所示．

圖9表明，箱梁頂板、底板溫度計算值和實測值均比較吻合，溫度走勢相同．驗證了由實測數(shù)據(jù)擬合出的橫向、豎向溫度梯度公式是正確的．

5 結(jié)論

1）扁平混凝土箱梁截面存在明顯的豎向溫度梯度，大量實測數(shù)據(jù)表明，在不同截面位置處豎向溫度梯度符合本文所采用的指數(shù)函數(shù)加一次函數(shù)的擬合公式．

圖9 實測曲線與有限元曲線對比Fig.9 The measured curve compared w ith the FEM curve

2）扁平混凝土箱梁橫向溫度分布具有明顯的對稱性，頂板橫向不同位置溫差較大，且分布規(guī)律符合本文所采用的橫向溫度梯度擬合公式．腹板和底板位置橫向溫差較小，橫向溫度場分布均勻．

3）建立了ANSYS模型，計算無鋪裝層混凝土箱梁溫度場分布，與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，計算結(jié)果與實測結(jié)果吻合較好，驗證了豎向、橫向溫度梯度公式的適用性．

4）本文結(jié)論只是針對子牙河特大橋道岔連續(xù)梁橋址區(qū)的溫度場實測數(shù)據(jù)得出的結(jié)論，對于其他不同地區(qū)的溫度場分布，可以根據(jù)地區(qū)現(xiàn)場實測，擬合適合的溫度梯度公式．

[1]黃騰，李淞泉．鋼箱梁溫度變形特性分析及合攏狀態(tài)控制[J]．公路，2002，7（7）：84-88．

[2]郝超．大跨度鋼斜拉橋施工階段非線性溫度影響研究[J]．公路交通科技，2003，20（1）：63-66．

[3]曾慶響，韓大建，馬海濤，等．預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋的溫度效應(yīng)分析[J]．中南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2010，41（6）：2360-2366．

[4]王毅．預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁溫度作用的觀測與分析研究[D]．南京：東南大學(xué)，2006．

[5]張玉平，楊寧，李傳習(xí)．無鋪裝層鋼箱梁日照溫度場分析[J]．工程力學(xué)，2011，28（6）：156-162．

[6]逯彥秋，張肖寧，唐偉霞．橋面鋪裝層溫度場的ANSYS模擬[J]．華南理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2007，35（2）：59-63．

[7]周廣東，丁幼亮，李愛群，等．基于長期實測數(shù)據(jù)的大跨懸索橋扁平鋼箱梁溫差特性研究[J]．土木工程學(xué)報，2012，45（5）：114-125．

[8]王偉，蘇小卒，趙勇．非線性溫差作用下混凝土結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力[J]．同濟(jì)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2010，38（7）：986-990．

[9]吳金鑫．預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋溫度場及溫度效應(yīng)實測研究[D]．杭州：浙江大學(xué)，2011．

[10]方志，汪劍．大跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋日照溫差效應(yīng)[J]．中國公路學(xué)報，2007，20（1）：62-67．

[責(zé)任編輯 楊屹]

Temperature effect analysis of flat PC continuous box girder bridge without pavement

LI Zilin1，LI Changhui2，CHEN Guosheng3，ZHANG Wenjuan3

(1.School of Civil Engineering,Tianjin Chengjian University,Tianjin 300384,China;2.School of Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China;3.China Railway eighteen Bureau Group Second Engineering Co Ltd,Hebei Tangshan 064000, China)

Thermal stress is one of the main factors that affect the use of long-span bridges.Accurate thermal field distribution model is the basis for the calculation of structural thermal stress Based on field measurement data of Ziyahe continuous box girder bridge.Got variation of temperature w ith time in different places.A vertical and transverse thermal gradient model of flat PC box girder without pavement was presented.Bring out the possibility of thermal gradient model by using ANSYS.The results show that flat concrete box girder cross-section temperature distribution on the different position of axial symmetry,roof transverse temperature difference is large,web and bottom transverse temperature is smaller.The formula of exponential function and linear function are adopted to vertical tem perature gradient. As the linear function is adopted to Transverse tem perature gradient,the conclusions has a very good reference value for the sim ilar bridge of theoretical research,design and construction.

bridge engineering;flat PC box girder;sun light thermal difference effect;thermal gradient

U24

A

1007-2373(2015)06-0076-05

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.06.015

2014-11-16

天津市自然科學(xué)基金（13JCYBJC19600）；住建部科技項目（2015-K3-021）；天津市公路行業(yè)科技項目（2014-23）

李自林（1953-），男（漢族），教授，博士生導(dǎo)師．

數(shù)字出版日期：2015-12-17數(shù)字出版網(wǎng)址：http://www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20151217.1508.006.htm l