桥梁温度场研究现状及分析

2018-04-03邓德员陈玉骥杨国飞

佛山科学技术学院学报（自然科学版） 2018年1期

刘登，邓德员，陈玉骥，*陈舟，杨国飞

（1.佛山科学技术学院土木工程系，广东佛山528000；2.中建钢构有限公司华南大区，广东广州510640）

自从温度变化引起桥梁结构开裂这一现象被研究人员发现后，国内外学者对桥梁结构温度场及温度效应进行了大量的研究。笔者认为可依据研究方向与侧重点的不同，将其划分为以下4个部分：第一，影响因素分析。着重研究影响结构温度分布的因素，包括日辐射强度、铺装层厚度、截面形状及尺寸、桥梁方位及其所处地理环境等；第二，温度分布维度及分布规律研究。着重研究桥梁在日温差环境下的温度分布情况，由最初一维温度场的研究过渡到二维、三维温度场的研究；从单一的温度线性分布到复杂的非线性分布；第三，温度应力及温度效应研究。随着计算机的发展，温度应力的计算由最初的手算过渡到目前的有限元分析及数值模拟，温度效应的研究也日益精细化、系统化；第四，温度研究理论的运用。温度研究理论的日渐成熟，为工程的设计施工提供了有力的指导，也为后期结构病害的预防处置提供了宝贵的意见。

1 结构温度场研究的几个方面

1.1 影响因素分析

早在1978年，PRIESTLEY通过对预应力混凝土箱梁温致开裂的研究，提出借助气象资料预测混凝土结构竖向温度梯度的方法。并基于温度分布规律，忽略纵横向温度变化的影响，建立了简化的一维热传导模型，其中考虑了风速、日温变化、沥青层厚度和太阳辐射热吸收率的影响，分析了7种不同类型截面，得出了著名的五次抛物线函数的温度分布模型。除此之外，他还讨论了温度应力与裂缝发展及结构承载力间的关系，为结构温度场的研究开辟了新道路［1］。

1986年RAO在对各种参数分析的基础上，总结出大气环境与桥梁外部约束情况是影响混凝土结构温度应力分布的主要因素［2］。1992年MOORTY认为以往涉及温度效应的计算方法并不适用于曲线桥等桥型。随后，他对曲线桥的温度效应做了一系列分析，论述了截面几何尺寸和支承条件等因素对梁体受力与变形等的影响；结果表明曲线桥或斜交桥因构造上的独特性其温度效应相比直桥更加复杂，且几何形状和支撑条件的变化对温度应力的影响更为敏感，在工程中应予以重视［3］。

ENRIQUE等人通过简单的模型分析了截面几何特性对混凝土箱梁温度应力和温度效应的影响，认为在桥梁结构的所有几何参数中，箱梁顶底板宽度之比和上部结构的建筑高度对结构内部温度分布及热力学行为影响最大，而主梁截面为单箱或多箱对其影响则不是很明显［4］。

郝超对影响钢箱梁桥温度场分布的各种参数进行了敏感性分析，考虑到钢板较薄且导热性良好，忽略沿板厚度方向的温度梯度，认为截面的热流动主要取决于热传导，并采用最小二乘法估算了参数的最佳值［5］。

2011年张玉平以无铺装层的钢箱梁为研究对象，运用有限元软件对影响钢箱梁温度场分布的风速、太阳辐射率与钢板吸收率等参数进行了分析，研究表明钢板的吸收率对无铺装层钢箱梁的温度效应影响最大。并以此为基础，采用指数函数加一次函数的形式，推导了适用于多地区的无铺装层钢箱梁竖向温度梯度分布公式［6］。

王步高以广州大桥为例分析了风速、桥塔方位、大气透明度、骤然降温对混凝土桥塔热力学性能的影响，定性得出了当桥塔较高且桥面风速较大时，风速沿塔高方向的变化对桥塔温度应力的影响不可忽略的结论，但其研究缺乏实测值的对比，所得结论还需进一步的验证［7］。

西南交通大学的顾颖等人基于ASHRAE晴空模型，运用ANSYS模拟太阳辐射强度的变化以及箱梁顶板对腹板的遮挡作用，研究发现混凝土箱梁的温度梯度在竖向主要集中在梗腋区域，横向集中在底板靠近腹板的区域；当腹板受到太阳直射时，底板端部区域与底板其余部位存在较大的横向温差，建议在设计验算时，对翼缘悬臂段相对较短的混凝土箱梁，考虑底板横向温差的影响［8］。

1.2 温度分布维度及分布规律研究

早期有关结构温度场方面的研究受温度分布理论与实验数据的限制，大量的工作是在简化的一维温度场分布模式基础上进行的。

1974年，德国的凯尔别克详细论述了太阳辐射、大气反射等气象因素对混凝土桥梁温度分布的影响，并按一维导热理论求解了结构的自约束应力和桥梁外约束应力。同时对梁体在不同类型温度分布和各种计算参数下的受力进行了分析，该方法考虑因素较为全面，但计算复杂，不便于在工程设计中的应用［9］。

LEE和KALKAN认为AASHTO规范虽然为混凝土结构设计中竖向温度梯度的选取提供了参考，但忽略了结构横向温度分布的影响，因而在实验分析的基础上提出了桥梁上部结构表面正温度梯度的非线性公式，并使用该公式估算出了结构的最大温差［10］。

随着桥梁结构温度场研究的日渐深入，一些学者们发现，结构内部温度分布按一维考虑存在很大的局限性，且与实际情况相比有较大的差异。

20世纪80年代末，刘兴法在对大量试验观测资料分析和研究的基础上，认为温度沿桥长方向的变化不大，从而将箱梁温度场分布的三维问题简化为二维问题，并进一步表明二维温度应力可按竖向和横向的一维温度场计算后叠加。还提出了求取箱梁温度分布的半经验公式，该方法被纳入《铁路桥涵设计规范（TBJ2-85）》［11］。

HOFFMAN对一座预应力箱梁桥的温度场和变形情况进行了测试，将自然环境中的温度变化划分为三种类型：季节性温度变化、日照温度变化、骤然降温温度变化。认为从结构的热边界条件看，将温度场一维分析的结果用于结构的设计计算是不可靠的。并对该桥进行了三维、二维、一维的热传导分析，结果表明箱梁的温度场并不能简化为简单的一维温度场［12］。

1983年ELBADRY和GHAIL以一座混凝土桥梁为研究对象，观测了其在日辐射环境下的温度变化，详细论述了边界条件的确定方法，利用Galerkin加权余量法求解了结构二维瞬态温度场，并考虑了截面形状、材料导热系数、桥梁方位角、风速等众多影响因素，编制了用于计算桥梁截面温度场分布的二维有限元分析程序 FETAB［13］。

2006年陈家齐等在对湛江海湾大桥钢箱梁施工过程中温度场的监测发现，底板横向温差受环境变化影响较小，可以忽略；而顶板温差在强日照天气能达到15℃左右，对主梁线型影响较大［14］。但计算时，由于横向温度梯度加载困难，仍旧按均匀分布的温度考虑，忽略了钢箱梁横向温度梯度效应，存在一定的误差。2015年新修的《公路桥涵设计通用规范》对横向温度梯度作用作了有关规定，新规范认为“对于无悬臂的宽幅箱梁，宜考虑横向温度梯度引起的效应”，同时给出了整体式箱梁与分离式箱梁的横向温度梯度分布模式，并建议根据实际调查确定温度梯度的取值［15］。

2015年汪东林以某悬索桥为例，在实验中首先对主缆结构表观热扩散系数与表观导热系数进行了分析，得出了一套主缆温度场的普适计算方法。随后通过实桥现场测试，发现传统的由缆索表面测点温度平均值获得整个截面平均温度的方法与实测值存在一定的差异，并在试验中对其所得计算方法进行了验证［16］。

1.3 温度应力及温度效应研究

半个多世纪以来，温度应力对桥梁结构的危害已逐渐为国内外工程师所重视，温度变化对构筑物的影响随着研究的日益深入已趋于成熟。1961年，ZUK从约束条件、材料组成等方面探讨了组合梁4种不同温度分布模式下的应力（温度应力和收缩应力）与变形，研究发现组合梁在上述作用下的横向拉应力与挠度过大，超出以往规范要求，并通过理论推导给出了组合梁在各种温度分布和收缩条件下纵横向应力的计算公式，通过实际工程对其结果进行了验证［17］。

1986年，铁道科学研究院西南研究所的刘兴法研究了混凝土箱梁在日辐射环境下的温度场与温度效应，对温度荷载的特性与计算等方面做了大量论述，根据4项基本假定，提出了温度应力的简化计算方法，并将红水河铁路斜拉桥的计算结果同实测值进行了比较，取得了较好的效果［18］。他提出的计算公式因能同时兼顾纵横向温度应力，所得结果相比以往更为可靠，长期以来被用于工程研究当中。

王林参照国内外5种规范规定的温度梯度，对一连续刚构箱梁桥的温度效应做了计算比较，指出了我国现行公路规范在温度梯度方面的不足，并发现温度应力与箱梁预应力产生的二次应力相组合将在主梁下缘产生较大的拉应力，对结构抗裂不利［19］。郭瑞军［20］等采用同样的办法，对各国温度梯度模式下桥梁的温度效应进行了对比。结果表明不同温度梯度曲线作用下截面的温度应力差异显著，应结合具体桥梁进行分析。

在非稳态温度场及温度应力的数值分析方面，沈肇基［21］、梅甫良［22］等学者都曾进行过深入的研究，并提出了温度应力的有限元计算方法及相关控制措施。沈肇基通过理论推导，认为基于向前差分法的显示方法在求解不稳定温度场时存在较大的误差，在对比研究中对有限元算法表示了肯定。同时他还对计算时步长的选取做了细致的分析，在一定程度上提高了计算精度。他们的研究成果为结构非稳态方面的发展奠定了基础。

2005年郭建根据结构热分析和热应变分析的单向耦合，对混凝土斜拉桥主梁的非稳态温度场与应力场进行了分析，并应用变分原理给出了温度场和应力场的有限元计算模式，结果表明分离式箱梁截面的主梁顶板、底板、内腹板的中间部位以及两个箱体间的桥面板与内腹板相交处主拉应力分布复杂且较为集中，设计、监控时应予以足够的重视［23］。

2007年彭友松等认为以往混凝土桥梁温度应力计算的方法，忽略了各应力分量之间的相互关系。他们从提高混凝土箱梁三维计算精度的角度出发，考虑泊松效应所引起的不同方向温度应力分量间的相互耦合作用，提出了一套基于热弹性理论的三维温度应力计算公式，运用传统结构力学的计算方法实现了对三维温度应力的空间分析，并能对结构裂缝产生的部位和发展趋势进行预测，最后通过实例计算证实了该公式的适用性［24］。

2012年缪长青等对运营中的润扬长江大桥钢箱梁进行了现场温度测试，认为日照环境下，扁平钢箱梁结构的热传导具有典型的“箱室效应”，实测数据计算所得的温度应力大于规范计算所得温度应力。并且还发现温度荷载产生的应力集中主要出现在正交异型钢箱梁制造焊缝附近，在设计、施工、研究中应予以足够的重视［25］。

1.4 温度研究理论的运用

2002年郭棋武等以武汉市江汉四桥为例，对其施工过程中的温度效应进行了观测，采用参数识别与有限元分析方法对该桥非线性温度梯度模式下的温度效应进行理论计算，得出日温差引起该桥主梁下缘高达1.7 Mpa拉应力的结论。同时对施工过程中主梁立模标高的修正问题进行了分析和计算［26］。随后，颜东煌［27］、毛晓东［28］等根据现场实测情况，提出了一套完整的可结合施工控制参数识别和预测的温度影响现场控制与消除方法，可用于斜拉桥施工控制中温度影响的现场修正。

王能［29］，连小虎［30］等人在研究混凝土箱梁桥温度裂缝的特点及影响因素时发现，可通过优化箱梁梗腋或其他结构突变部位的线形，以及增强箱梁底板腹板配筋的方式，控制预应力混凝土连续箱梁桥温度裂缝，具有一定的现实意义。

2007年龙佩恒等通过空间实体模型模拟箱梁桥温度应力，总结出梁体纵向裂缝可以采取增加截面预压应力的方式得到控制，而对横向不设预应力的箱梁，可以通过合理设计肋板和顶板的刚度比来降低横向拉应力，减少结构开裂。除此之外，他还得出温度梯度荷载峰值与桥面铺装层厚度有关的结论［31］。2017年李增峰等研究了装配式空心板梁在竖向温度梯度作用下铰缝开裂的现象，认为竖向温度梯度是导致铰缝初期开裂的重要因素，而横向预应力的施加不仅消除了温度引起的拉应力，而且使铰缝处于受压状态，对提高铰缝抗裂性能有很大的帮助［32］。但上述二者的研究仅建立在模型模拟的基础上，尚需通过实际工程对其观点进行验证。

2007年龚文阶对混凝土箱梁桥裂缝成因及预防措施进行了研究，认为梁体开裂是内因（设计、施工等方面）与外因（各种荷载、收缩徐变）等多种因素共同作用的结果，并针对裂缝的成因对桥梁设计以及施工提出了宝贵的建议［33］。

2016年徐祯耀研究了曲线型钢箱梁在温度作用下的倾覆稳定和疲劳性能，认为温度作用会引起曲梁支座较大的竖向位移，导致内侧支座脱空，并总结了曲线梁桥抗倾覆的几种实用方法。同时在研究中还发现沥青混凝土铺装层会显著降低钢箱梁桥顶板的温度效应，而温度荷载则会降低构件的疲劳寿命［34］。

2 目前存在的问题

自20世纪中叶以来，有关桥梁结构温度场与温度效应方面的研究日益深入，涉及到诸多方面。在截面形式上，包括T梁、板梁、钢桁架、箱梁等；在材料构成上，有钢筋混凝土桥梁、钢混组合结构桥梁、钢结构桥梁以及新材料桥梁等；在温度分布模式上包含一维、二维、三维多种层次，以及线性、非线性等方面。已有研究工作均取得了宝贵的成果，为桥梁的设计、施工以及维护提供了理论支持与实际指导。但仍存在一些问题，比如：

（1）在温度梯度模式的选取上，受地理气候条件、截面形式等因素的影响，至今仍未达成共识；

（2）与温度场有关的研究基本是在桥梁施工监测的过程中实现的，由于观测时间短，观测条件受限无法得到温度场随时间变化的准确规律；

（3）施工过程中桥梁结构的边界条件与成桥状态下存在较大的差异，难以真实反映构件内部的温度场；

（4）计算模型的精度，初始条件等的设置很大程度上影响结果的可靠性。

除此之外，数据测量时不同步，测点数量过少、分布不合理、代表性不足、仪器灵敏度差等问题对测试结果也造成了一定的影响。另外，目前的有限元建模，对主梁一般采用梁单元，忽略了构件横向受力变形的影响。而事实上，斜拉桥宽箱梁由于剪力滞效应及外部约束的存在，横向受力变形十分复杂，在考虑裂缝成因时，这一部分不应被忽略。

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