朱勁松，陳科旭，孟慶領

?

大跨度懸索橋空間溫度場精細分析方法

朱勁松1, 2，陳科旭1，孟慶領1

(1. 天津大學建筑工程學院，天津 300072；2. 濱海土木工程結(jié)構與安全教育部重點實驗室(天津大學)，天津 300072)

為了研究懸索橋空間溫度場分布及其變化規(guī)律，提出了自然環(huán)境下大跨度懸索橋空間溫度場精細分析方法．首先根據(jù)構件表面所在位置和太陽入射角判斷大跨度懸索橋構件外表面的遮擋狀態(tài)，然后基于傳熱理論計算構件外表面所受輻射能，通過對構件各外表面施加輻射荷載和對流換熱邊界計算大跨度懸索橋空間溫度場，最后以某大跨度懸索橋為例，采用多尺度分析方法計算主纜的熱物性參數(shù)，在此基礎上得到了自然環(huán)境下該橋空間溫度場分布．結(jié)果表明，自然環(huán)境下大跨度懸索橋主纜空間溫度場關于跨中非對稱分布，最高溫度出現(xiàn)在近跨中受太陽正面照射的節(jié)段，主塔迎陽面和背陽面最大溫差近7,℃，橋面陰影區(qū)與相鄰非陰影區(qū)溫差達15,℃．以該方法為基礎，可以實現(xiàn)大跨度懸索橋健康監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構響應中溫度效應的精確分離．

懸索橋；自然環(huán)境；熱傳導；空間溫度場；多尺度分析

自然環(huán)境下大跨度懸索橋空間溫度場分布十分復雜，各構件在空間溫度場作用下的效應之間相互作用，引起大跨度懸索橋體系環(huán)境溫度效應更具復雜性，使得大跨度懸索橋健康監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構響應中溫度效應分離更加困難．關于懸索橋溫度場和溫度效應的研究近年來也得到了普遍關注．汪東林和張偉[1]通過試驗方法得到了室溫下主纜的熱物性參數(shù)，在此基礎上提出了太陽輻射作用下主纜溫度場的計算方法；俞明德等[2]通過主纜足尺模型試驗研究了日照、氣溫等天氣變化對主纜橫斷面溫度場的影響；Taysi等[3]通過混凝土箱梁節(jié)段模型試驗研究了自然環(huán)境下箱梁溫度場的分布規(guī)律；王達等[4]通過現(xiàn)場實測得到了懸索橋主纜線形隨溫度變化的規(guī)律；Zhou等[5]對大跨度懸索橋鋼箱梁的溫度效應進行了研究；劉來君和賀拴海[6]提出了不同溫度下主纜索股調(diào)整的具體方法，解決了懸索橋主纜架設過程中的溫度效應問題；Liu等[7]通過試驗得到了H型鋼構件在太陽輻射作用下溫度場分布規(guī)律；文獻[8-9]分別從現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬角度對鋼箱梁溫度場和溫度效應進行了研究；Zhu和Meng[10]提出了橋梁溫度效應高效精細化分析的子結(jié)構方法，并以天津市劉莊橋為例驗證了該方法的準確性；徐海鷹和趙少杰[11]根據(jù)懸索橋主纜熱分析模型和非穩(wěn)態(tài)熱傳導微分方程提出了太陽輻射條件下主纜溫度場計算方法；Robert等[12]通過數(shù)值模擬對Tammar橋日照作用下的溫度效應進行了研究．綜上所述，目前國內(nèi)外學者對懸索橋各構件溫度場的研究取得較多成果，但對大跨度懸索橋全橋溫度場研究還是以現(xiàn)場實測為主，缺乏大跨度懸索橋空間溫度場精細計算方法，無法實現(xiàn)溫度效應準確預測以及大跨度懸索橋健康監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構響應中溫度效應的精確分離．

本文基于傳熱學理論和太陽輻射三維遮擋理論，提出了自然環(huán)境下大跨度懸索橋空間溫度場計算方法，依托某在建大跨度懸索橋，對主纜進行多尺度分析，得到了懸索橋主纜熱傳導率和比熱容，在此基礎上分析了自然環(huán)境下主纜、主塔和加勁梁溫度場，最后分析了主纜、梁、塔溫差分布規(guī)律．以該方法為基礎，可以實現(xiàn)大跨度懸索橋健康監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構響應中溫度效應的精確分離．

1?橋梁結(jié)構幾何遮擋與傳熱學理論

1.1?構件太陽輻射三維遮擋理論

橋梁構件的溫度梯度不僅由非均勻溫度場以及不同構件外表面間熱交換產(chǎn)生，也由陽光下構件自身或構件間遮擋產(chǎn)生．遮擋使構件溫度梯度增大，導致數(shù)值分析更加復雜，所以在橋梁結(jié)構溫度場分析中必須考慮太陽輻射三維遮擋的影響．

根據(jù)橋梁構件受太陽直接輻射作用的時間，將太陽輻射三維遮擋分為3種類型[10]．

(1) 永久遮擋．

如果橋梁構件某個面(通常為懸索橋構件內(nèi)表面)所釋放的所有熱輻射都被橋梁其他構件吸收，則稱該面處于永久遮擋狀態(tài)．此類面與外界空氣沒有接觸，所以不接受任何形式的熱荷載．

(2) 自遮擋．

如果橋梁構件某個面不處于永久遮擋狀態(tài)，且在某時段該面上的太陽入射角大于90°，則稱橋梁該構件面在該時段處于自遮擋狀態(tài)．當橋梁結(jié)構構件某個面在某時段太陽入射角取值范圍為[0°，90°]時，該面接受太陽輻射，入射角在此范圍之外時接受的太陽輻射能為0．

(3) 互遮擋．

如果橋梁構件某個面不屬于以上2種狀態(tài)，且在某時段該面上的部分點由于橋梁其他構件的遮擋作用而無法受到陽光直射，則稱該時段此部分點處于互遮擋狀態(tài)．確定橋梁構件某個面上的點是否處于互遮擋狀態(tài)最簡便的方法是將該面上的點與太陽連線，若該連線與橋梁其他構件相交，則該點處于互遮擋?狀態(tài)．

1.2?自然環(huán)境下熱輻射

橋梁結(jié)構在自然環(huán)境中受太陽直接輻射、散射輻射、大氣逆輻射、地面反射輻射以及其他結(jié)構輻射.根據(jù)輻射類型，可將橋梁結(jié)構所受輻射分為短波輻射和長波輻射．

1.2.1?短波輻射

橋梁構件外表面的短波輻射來自太陽輻射且僅產(chǎn)生于從日出到日落這一過程，可分為以下3種．

?(1)

?(2)

?(3)

1.2.2?長波輻射

長波輻射由地表或水面以及大氣層產(chǎn)生，是全天中一直存在的熱輻射，可分為以下3種．

?(4)

?(5)

?(6)

?(7)

1.3?構件熱邊界

?(8)

式中為橋梁橋址處風速．

綜合以上熱輻射與對流換熱邊界分析，橋梁結(jié)構所處的熱環(huán)境如圖1所示．

我院2016年9月至2017年9月收治的66例心律失?；颊邽楸敬闻R床觀察資料,將其平均分為兩組,單純使用胺碘酮治療的33例患者命名為對照組,其中男性患者19例,女性患者14例,年齡在52歲至76歲,平均(61±2.3)歲;使用美托洛爾聯(lián)合胺碘酮治療的33例患者命名為觀察組,其中男性患者21例,女性患者12例,年齡在50歲至75歲,平均(60±1.8)歲。對比兩組患者的性別、年齡等一般資料,差異無明顯的統(tǒng)計學意義,P>0.05,可對比觀察兩組患者的臨床治療效果。

圖1?橋梁所處熱環(huán)境

2?自然環(huán)境下大跨度懸索橋空間溫度場精細分析方法

大跨度懸索橋空間溫度場精細分析方法考慮了主纜鋼絲間空隙、懸索橋各構件遮擋狀態(tài)對溫度場的影響．在對主纜進行多尺度分析求出等效熱物性參數(shù)的基礎上，通過判斷懸索橋各構件外表面遮擋狀態(tài)計算熱荷載，利用ABAQUS熱傳導分析模塊求得大跨度懸索橋的空間溫度場．自然環(huán)境下大跨度懸索橋空間溫度場計算流程如圖2所示．

圖2?大跨度懸索橋空間溫度場計算流程

2.1?等效主纜熱物性參數(shù)

大跨度懸索橋主纜是由鋼絲和空氣組成的混合體，其熱物性參數(shù)不同于普通鋼絲．采用多尺度分析方法計算主纜等效熱物性參數(shù)，首先將主纜鋼絲和等效索股分別作為一個尺度，在索股精細模型中賦予鋼絲與空氣實際熱物性參數(shù)，在索股等效模型中賦予等效材料的熱物性參數(shù)，計算兩種尺度模型在相同熱荷載下熱響應決定系數(shù)2，當2＝1時，認為此等效材料的熱物性參數(shù)為主纜實際熱物性參數(shù)．

2.2?判斷懸索橋構件外表面遮擋狀態(tài)

根據(jù)懸索橋構件外表面位置判斷其是否處于永久遮擋狀態(tài)，若不處于永久遮擋狀態(tài)，則根據(jù)構件表面傾斜角等計算太陽入射角，若入射角不屬于[0°，90°]，該面處于自遮擋狀態(tài)．當構件外表面入射角取值范圍為[0°，90°]，雖然該面可以接受太陽輻射但其可能受其他構件遮擋，可通過立體幾何判斷該面是否處于互遮擋狀態(tài)．本文遮擋狀態(tài)判斷通過筆者基于ABAQUS開發(fā)的遮擋子程序?qū)崿F(xiàn)[10]．

2.3?計算懸索橋空間溫度場

確定懸索橋各構件外表面的遮擋狀態(tài)后，根據(jù)熱輻射公式計算出各構件表面所受輻射能大小，再由式(9)給出的傅里葉熱傳導方程求解構件內(nèi)部溫度場．通過全部構件溫度場計算得出大跨度懸索橋空間溫度場．

?(9)

式中：為溫度，是時間與空間變量()的函數(shù)；為熱輻射系數(shù)．

3?實例分析

3.1?橋梁概況

某在建的主跨720,m鋼-混組合梁單跨懸索橋立面布置如圖3所示．該橋位于東經(jīng)115.2°、北緯40.4°，方位角為北偏西52°．橋面總寬33.6,m，加勁梁為縱橫鋼梁．鋼梁上鋪3,cm砂漿找平后鋪20,cm厚混凝土橋面板和5,cm厚瀝青混凝土．主纜矢跨比為1/9.5，采用高強鍍鋅平行鋼絲預制索股，共91根，每根索股由127絲5.25,mm的鍍鋅高強鋼絲組成.主塔為高度107.8,m的混凝土門式框架結(jié)構．

圖3?實例懸索橋立面圖(單位：cm)

3.2?有限元模型

采用通用有限元軟件ABAQUS建立實例懸索橋精細有限元模型如圖4所示．為保證大跨度懸索橋溫度場分析的精度和計算效率，主塔、瀝青層、砂漿層以及橋面板采用傳熱實體單元DC3,D8；加勁梁采用傳熱殼單元DS4；主纜與吊索不參與空間傳熱，但由于后期分析大跨度懸索橋溫度效應需要，采用B31梁單元模擬．橋梁有限元模型各類單元總數(shù)為432,868個．

圖4?實例懸索橋有限元模型

3.3?分析工況

根據(jù)橋址處氣候條件，在春、夏、秋、冬四季中各取一天進行溫度時程仿真分析，時程范圍為4月15日、7月15日、9月15日、1月15日4天的00：00—24：00，橋址處氣候條件見表1．

表1?橋址處氣候條件

Tab.1?Climate at the bridge site

3.4?分析結(jié)果

3.4.1?主纜熱物性參數(shù)等效結(jié)果

將主纜熱傳導率和比熱容視為變量，索股多尺度分析模型如圖5所示，為便于分析和掌握主纜截面溫度場的情況，圖5(c)中同時給出了主纜截面溫度提取點編號．

圖5?主纜多尺度分析模型

兩種索股截面模型在相同熱荷載下的熱響應決定系數(shù)偽色圖如圖6所示．由圖6可見，當主纜比熱容取508,J/(kg·℃)，熱傳導率取26,W/(m·℃)時，等效截面模型與實際截面模型熱響應的決定系數(shù)接近1，這說明主纜比熱容、熱傳導率取該值與實際情況最為接近．其他材料熱物性參數(shù)參照文獻選取，實例懸索橋材料參數(shù)見表2．

圖6?索股精細模型與等效模型熱響應決定系數(shù)偽色圖

表2?材料熱物性參數(shù)

Tab.2?Material parameters for thermal analysis

3.4.2?自然環(huán)境下大跨度懸索橋溫度場計算結(jié)果

1) 主纜溫度場

大跨度懸索橋主纜在太陽輻射作用下僅受自身遮擋作用．在主纜模型中，截面上部不受水面反射輻射，下部不受大氣逆輻射和散射輻射．限于篇幅，僅給出7月15日主纜溫度場分析結(jié)果．跨中主纜截面典型時刻溫度分布如圖7所示．

由圖7可見，大跨度懸索橋主纜截面上部溫度高于下部溫度，迎陽面溫度高于背陽面溫度，白天最高溫度出現(xiàn)在截面外部，晚上出現(xiàn)在截面內(nèi)部．白天最高溫度出現(xiàn)在15：00左右，約為42.5,℃．

為驗證本文計算方法與計算結(jié)果的可靠性，圖8給出了8月18日—8月19日西堠門大橋主纜試驗段截面現(xiàn)場實測溫度分布規(guī)律[2]與采用空間溫度場精細計算方法所得的溫度分布規(guī)律對比情況．由圖8可見，截面溫度場分布規(guī)律在25～31,h有較大差異，這是因為2009年8月18日夜間西堠門大橋所在地出現(xiàn)降雨且風速加大．10～25,h，截面頂部點溫度計算值與實測值最大相差4,℃，截面溫度提取點的溫度計算值與實測值最大相差5,℃．由于試驗主纜節(jié)段貼近地面，地面輻射作用較小，所以溫度提取點的溫度計算值與實測值相差較大．綜合以上分析，本文提出的懸索橋空間溫度場計算方法是可靠的.

圖7?主纜跨中截面典型時刻溫度分布

圖8 西堠門大橋主纜截面溫度計算值與現(xiàn)場試驗值?對比

7月15日跨中主纜截面各溫度提取點的溫度變化曲線如圖9所示．由圖9可見，主纜截面各點達到最大溫度所需時間不同，芯部所需時間最長，頂部所需時間最短．主纜表面溫度變化快于內(nèi)部，迎陽面溫度變化快于背陽面．同一時刻截面溫差最高達10,℃，出現(xiàn)在15：00左右；溫差最小時刻為6：00左右，溫差小于1,℃．主纜升溫過程內(nèi)部溫度始終低于外部溫度，降溫過程內(nèi)部溫度始終高于外部溫度．

圖9?主纜跨中截面溫度變化

大跨度懸索橋主纜空間溫度場受主纜高程和太陽高度角影響較大．7月15日15：00主纜空間溫度場分布見圖10．由圖10可見，同一時刻主纜各截面溫度分布差異不大．全跨最高溫度未在跨中出現(xiàn)，而是出現(xiàn)在＝90,m處，究其原因這是由在[0,m，90,m]范圍內(nèi)對流換熱的降溫作用小于太陽輻射的升溫作用所致．＝360,m處與＝0,m處主纜溫差約0.4,℃，這與高程每變化100,m，主纜溫度變化0.6,℃的經(jīng)驗規(guī)律一致[16]．當主纜表面太陽入射角較大時，截面溫度在∈[-360,m，180,m]范圍內(nèi)逐漸減小，這說明主纜截面溫度不僅受主纜順橋向傾斜角和方位角影響，還受分析截面外緣方位角與傾斜角影響.

圖10?主纜空間溫度場分布(15:00)

圖11為不同時刻主纜空間溫度分布，圖中所示溫度為該時刻各截面平均溫度．由圖11可見，懸索橋主纜溫度場具有較強的時變特性，18：00—21：00溫差達7,℃，21：00以后主纜溫度變化幅度較小，這說明21：00之后主纜空間溫度場趨于穩(wěn)定．

圖11?不同時刻主纜空間溫度場分布

2) 加勁梁、主塔溫度場

橋面由于主塔的遮擋形成陰影區(qū)與非陰影區(qū)；主塔橫梁下側(cè)塔柱受到橫梁的遮擋，其他塔柱面處于自遮擋狀態(tài)；主塔基座和承臺埋入土中，不受任何輻射作用；加勁梁由于橋面的遮擋而僅受水面反射輻射．加勁梁、主塔典型時刻溫度場分布如圖12所示．

圖12 7月15日加勁梁、主塔典型時刻溫度分布

由圖12可見，由遮擋產(chǎn)生的橋面低溫區(qū)邊緣呈鋸齒狀分布，這是由加勁梁為縱橫梁形式導致的．橋面陰影區(qū)與相鄰非陰影區(qū)溫差從6：00到12：00逐漸增大，最高接近15,℃；從12：00到21：00逐漸減小，最小溫差為2,℃．主塔塔柱由于受到自身和橫梁遮擋，迎陽面與背陽面溫差從6：00到18：00逐漸增大，最大溫差接近7,℃，18：00以后迎陽面與背陽面溫差逐漸減小，最小溫差為2,℃．由于主塔和橋面材料不同，混凝土主塔升、降溫速度明顯慢于瀝青路面，在下午15：00，最大溫差接近17,℃．

由于該懸索橋為組合梁形式，加勁梁與橋面的溫差將在二者之間產(chǎn)生水平剪力，取溫差最大時刻12:00的溫差值作為最大溫度梯度研究的依據(jù)，大跨度懸索橋加勁梁和橋面的最大溫差如圖13所示．由圖13可知，加勁梁和橋面的溫度分布為三折線形式，瀝青層和混凝土橋面板層溫度呈線性分布，加勁梁溫度幾乎為均勻分布，由于瀝青鋪裝層的熱傳導率小于混凝土橋面板，其溫差直線斜率較混凝土橋面板更小，溫度梯度更加明顯．砂漿層溫度最低，這是由于砂漿層的溫度僅來源于下層的加勁梁上翼緣和上層的混凝土板傳熱，溫度變化較慢．5,cm厚度的瀝青層最大溫差為10.92,℃，混凝土板頂部與中間層10,cm厚度范圍內(nèi)溫差最大為6.52,℃，而根據(jù)《公路橋涵設計通用規(guī)范》[17]，當瀝青混凝土鋪裝層厚度為5,cm時，混凝土橋面板自上而下10,cm厚度范圍內(nèi)溫度梯度為13.3,℃，這是由于本文為大跨度懸索橋空間溫度場精細計算，沒有考慮規(guī)范中溫度梯度計算的極端工況，此外，由于考慮了規(guī)范中沒有考慮的組合梁下部受到的水面反射輻射，使得混凝土橋面板自上而下10,cm厚度范圍內(nèi)溫度梯度更?。?/p>

圖13?加勁梁和橋面溫度梯度分布(12:00)

3) 大跨度懸索橋構件溫度場規(guī)律差異性分析

索、梁、塔溫差引起的溫度效應對懸索橋結(jié)構影響較大，特別是對加勁梁的位移和彎矩影響尤為顯著，是一種非常重要的溫度荷載[18]，圖14給出了中跨主纜平均溫度、主塔表面平均溫度、加勁梁平均溫度的變化曲線．

圖14?各構件平均溫度變化

由圖14可以看出，4個季節(jié)下索、梁、塔溫差分布規(guī)律一致，加勁梁溫度在12：00達到最高，主纜最高溫度出現(xiàn)在15：00，主塔最高溫度出現(xiàn)時間落后主纜1～2,h．一天中主纜溫度始終高于主塔溫度，主纜、主塔溫差最小時刻出現(xiàn)在6：00左右，溫差最大時刻出現(xiàn)在15：00，達10,℃．索、梁、塔三者溫差的時變特性使得加勁梁、主塔的變形和內(nèi)力計算更加?復雜．

4?結(jié)?論

(1) 系統(tǒng)地推導了大跨度懸索橋空間溫度場精細分析方法，主要包括自然環(huán)境下橋梁結(jié)構熱荷載和熱邊界，并通過其他學者在西堠門大橋橋址處的主纜溫度場試驗數(shù)據(jù)證明了該計算方法的可靠性．

(2) 采用多尺度分析方法得到了主纜等效熱物性參數(shù)，在此基礎上分析了主纜空間溫度場．分析結(jié)果表明：太陽輻射作用下主纜溫度場不僅在各截面上呈非對稱分布，而且關于跨中呈非對稱分布，同一時刻主纜最高溫度出現(xiàn)在近跨中受太陽正面照射的節(jié)段上．主纜截面較大的溫差將導致索股間相互滑動和主纜扭轉(zhuǎn)．

(3) 主塔塔柱迎陽面與背陽面最大溫差接近?5,℃，各面間較大的溫差將造成主塔的扭轉(zhuǎn)和位移；瀝青面層由于主塔遮擋形成的陰影區(qū)與相鄰非陰影區(qū)的最高溫差達12,℃，鋪裝層較大的溫差會對混凝土橋面板受力產(chǎn)生不利影響．

(4) 在后續(xù)研究中，將在該方法的基礎上，對自然環(huán)境下大跨度懸索橋溫度效應及其變化規(guī)律以及各構件溫度效應間相互影響進行深入分析，為大跨度懸索橋健康監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構響應中溫度效應分離與數(shù)據(jù)分析提供技術支撐．

［1］ 汪東林，張?偉. 懸索橋主纜溫度場計算模型構建分析[J]. 公路交通科技，2015，32(8)：66-71.

Wang Donglin，Zhang Wei. Analysis of temperature field calculation of main cables of suspension bridge[J].，2015，32(8)：66-71(in Chinese).

［2］ 俞明德，沈銳利，唐茂林，等. 西堠門大橋主纜橫斷面溫度場研究[J]. 建筑科學與工程學報，2010，27(3)：53-58.

Yu Mingde，Shen Ruili，Tang Maolin，et al. Research on temperature field of main cable section of Xihoumen bridge[J].，2010，27(3)：53-58(in Chinese).

［3］ Taysi N，Abid S. Temperature distributions and variations in concrete box-girder bridges：Experimental and finite element parametric studies[J].，2015，18(4)：469-486.

［4］ 王?達，張永健，黃平明. 大跨度懸索橋主纜施工溫度時變效應研究[J]. 公路交通科技，2010，27(12)：73-77.

Wang Da，Zhang Yongjian，Huang Pingming. Research on temperature time-varying effect of long-span suspension during main cable construction[J].，2010，27(12)：73-77(in Chinese).

［5］ Zhou Liren，Xia Yong，Janes M W B，et al. Temperature analysis of a long-span suspension bridge based on field monitoring and numerical simulation[J].，2016，21(1)：1-7.

［6］ 劉來君，賀拴海. 索鞍無預偏施工懸索橋主纜的溫度效應[J]. 長安大學學報：自然科學版，2007，27(1)：40-44.

Liu Laijun，He Shuanhai. Temperature effect on suspension bridge with non-pre-bias of cable-saddle[J].：，2007，27(1)：40-44(in Chinese).

［7］ Liu Hongbo，Chen Zhihua，Zhou Ting. Theoretical and experimental study on the temperature distribution of H-shaped steel members under solar radiation[J].，2012，37：329-335.

［8］ 丁幼亮，王曉晶，王高新，等. 珠江黃埔大橋鋼箱梁溫度長期監(jiān)測與分析[J]. 東南大學學報：自然科學版，2012，42(5)：945-949.

Ding Youliang，Wang Xiaojing，Wang Gaoxin，et al. Long-term temperature monitoring and analysis of steel box girders of Pearl River Huangpu bridge[J].：，2012，42(5)：945-949(in Chinese).

［9］ 張玉平，楊?寧，李傳習. 無鋪裝層鋼梁日照溫度場分析[J]. 工程力學，2011，28(6)：156-162.

Zhang Yuping，Yang Ning，Li Chuanxi. Research on temperature field of steel box girder without pavement caused by the solar radiations[J].，2011，28(6)：156-162(in Chinese).

［10］ Zhu Jinsong，Meng Qingling. Effective and fine analysis for temperature effect of bridges in natural environments [J].，2017，22(6)：1-19.

［11］ 徐海鷹，趙少杰. 懸索橋主纜溫度場計算[J]. 鐵道工程學報，2012，160(1)：45-50.

Xu Haiying，Zhao Shaojie. Calculation of temperature field of main cable of suspension bridge[J].，2012，160(1)：45-50(in Chinese).

［12］ Robert W，Ki Y K，James B J. Effect of solar radiation on suspension bridge performance[J].，2015，20(5)：1-12.

［13］ Severny A.[M]. California：University Press of the Pacific，2004.

［14］ 劉興法. 太陽輻射對橋梁結(jié)構的影響[M]. 北京：中國鐵道出版社，1981.

Liu Xingfa.[M]. Beijing：China Railway Press，1981(in Chinese).

［15］ Lee J H，Kalkan. Analysis of thermal environmental effects on precast，pre-stressed concrete bridge girders：Temperature differentials and thermal deformations[J].，2012，15(3)：447-459.

［16］ 李?偉. 太陽輻射作用下混凝土箱梁橋溫度分布和溫度應力的研究[D]. 天津：天津大學機械工程學院，2013.

Li Wei. The Study on Temperature Distributions and Thermal Stress of Concrete Box-Girder Bridge Under Solar Radiation[D]. Tianjin：School of Mechanical Engineering，Tianjin University，2013(in Chinese).

［17］ 中交公路規(guī)劃設計院. JTG D60—2015 公路橋涵設計通用規(guī)范[S]. 北京：人民交通出版社，2015.

CCCC Highway Consultants. JTG D60—2015 General Code for Design of Highway Bridges and Culverts[S]. Beijing：China Communications Press，2015(in Chinese).

［18］ 夏國平，張?哲，葉?毅. 斜拉-懸索協(xié)作體系橋的溫度效應分析[J]. 武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2009，33(5)：892-896.

Xia Guoping，Zhang Zhe，Ye Yi. Analysis of temperature field on cable-stayed suspension bridge[J].：，2009，33(5)：892-896(in Chinese).

(責任編輯：樊素英)

Fine Analysis Method for Spatial Temperature Field of Long-Span Suspension Bridge

Zhu Jinsong1, 2，Chen Kexu1，Meng Qingling1

(1．School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2．Key Laboratory of Coast Civil Structure Safety(Tianjin University)，Ministry of Education，Tianjin 300072，China)

In order to study the spatial temperature distributions of suspension bridges in natural environment，a method for finely analyzing the spatial temperature field of long-span suspension bridges is proposed．First，the occlusion state is judged according to the position and solar incident angle of the bridge component surface．Then，the radiation energy applied on the component surface is calculated based on heat transfer theory．Through applying the solar radiation and the convective heat transfer，the spatial temperature field of long-span suspension bridge is calculated．Finally，taking a long-span suspension bridge as an example，the material parameters for thermal analysis are obtained through multi-scale analysis and the spatial temperature distributions are calculated based on those parameters．It is shown that the spatial temperature distributions of the main cable in natural environment are not symmetrical about the mid-span．The highest temperature appears in the main cable segment near the mid-span and irradiated by the sun．The maximum temperature difference between the solar radiation surface and the shaded surface of the main tower is up to 7,℃．The temperature difference between the shaded area and adjacent non-shadow area is as high as 15,℃．Based on this method，accurate separation of temperature effects in structural responses of long-span suspension bridge health monitoring system can be realized.

suspension bridge；natural environment；heat transfer；spatial temperature field；multi-scale analysis

10.11784/tdxbz201704112

U448.25

A

0493-2137(2018)04-0339-09

2017-04-27；

2017-09-29.

朱勁松（1975—），男，博士，教授.Email：m_bigm@tju.edu.cn

朱勁松，jszhu@tju.edu.cn.

天津市科技支撐計劃重點資助項目(16YFZCSF00460)；天津市自然科學基金資助項目(16JCZDJC40300).

the Science and Technology Support Program of Tianjin，China(No.,16YFZCSF00460)and the Natural Science Foundation of Tianjin，China(No.16JCZDJC40300).