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（1 黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院；2 黑龍江大學(xué)建筑工程學(xué)院）

0 引言

隨著科技的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)鋼箱梁具有質(zhì)量輕、抗扭強(qiáng)、強(qiáng)度高、等優(yōu)點(diǎn)。因此，在大跨度斜拉橋和懸索橋中經(jīng)常被使用。但由于鋼材對溫度的敏感性較強(qiáng)，鋼箱梁受太陽熱輻射后會產(chǎn)生較大的位移和應(yīng)力。同時，我國橋梁規(guī)范[1]中所采用的豎向溫度梯度模式，不適應(yīng)沒有橋面鋪裝的情況。為保護(hù)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(yīng)影響，目前世界上很多國家都在進(jìn)行研究。

Walter H.Dilger 根據(jù)暴露在太陽輻射下的橋梁結(jié)構(gòu)，預(yù)測太陽輻射下作用下梁橋的溫度分布，通過相應(yīng)的參數(shù)分析，確定結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的溫度影響的差異[2]。美國學(xué)者Hoffman 等人根據(jù)現(xiàn)場觀測某一座混凝土鋼箱梁溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)，對新西蘭規(guī)范及PCI-PTI 規(guī)范采用的設(shè)計(jì)溫度分布進(jìn)行了修正[3]。

我國學(xué)者方志等在觀測華東地區(qū)橋梁后，提出了一種在適合華東地區(qū)的箱梁豎向和橫向溫度梯度模式[4]。孫君等對潤揚(yáng)大橋懸索橋和斜拉橋鋼箱梁的溫度進(jìn)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(cè)，延龍圖新區(qū)內(nèi)設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)。漸變式箱梁，寬度為27m～33m，箱梁中心梁高3.0m，箱梁頂?shù)装搴透拱宓暮穸确秶?6～36mm。橋梁雙向四車道布置，兩側(cè)分別設(shè)置機(jī)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(diǎn)布置及測量儀器

2.1測點(diǎn)布置

該斜拉橋采用逐段吊裝焊接的方式進(jìn)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?shù)装搴屯獗砻嬲迟N傳感器容易影響焊接。對于該橋梁來說主梁頂?shù)装搴透拱搴穸容^薄，最大厚度為36mm。同時鋼材熱傳導(dǎo)性能良好，因此將溫度傳感器粘貼在梁頂?shù)装搴透拱宓膬?nèi)外表面[6]。溫度測點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 觀測截面溫度測點(diǎn)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(jìn)行溫度測量[7]。由于夜晚溫差波動較小，考慮到實(shí)測數(shù)據(jù)的科學(xué)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(diǎn)溫度，午夜24時結(jié)束溫度采集。

3 測試結(jié)果分析

為探究溫度對鋼箱梁的影響，使數(shù)據(jù)具有代表性，給出5～6 月份鋼箱梁頂?shù)装遄畲鬁夭钭兓厔荩鐖D3 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(shù)據(jù)作為代表研究夏季鋼箱梁溫度場規(guī)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(huán)境溫度為18.3～34.8℃，天氣晴朗，太陽輻射強(qiáng)；5月29日和6月19日，環(huán)境溫度為12.4～25.3℃，天氣陰，太陽輻射較少。將圖2 測點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到不同天氣下鋼箱梁頂?shù)装鍖?shí)測平均溫度和環(huán)境溫度。

根據(jù)溫度實(shí)測結(jié)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(diǎn)到14點(diǎn)溫度迅速上升，并在10 點(diǎn)左右超過環(huán)境溫度，14 點(diǎn)到24 點(diǎn)頂板溫度迅速下降。底板從6 點(diǎn)到16 點(diǎn)溫度上升且低于環(huán)境溫度，在16 點(diǎn)到24 點(diǎn)溫度下降且高于環(huán)境溫度。在中午14 點(diǎn)時，鋼箱梁頂?shù)装鍦夭钸_(dá)到最大值20oC 左右。夜晚24時至早上6 時，頂?shù)装鍦囟认嗖钶^小為2～3oC。5 月29日和6 月19 日天氣陰，太陽輻射小，6 點(diǎn)到14 點(diǎn)頂?shù)装鍦囟壬仙?4點(diǎn)到24點(diǎn)溫度下降，且與環(huán)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(huán)境溫度和鋼材熱傳遞影響，溫度變化較穩(wěn)定。因此，選擇6 月5 日和6 月22 日頂板溫度監(jiān)測點(diǎn)T內(nèi)1、T內(nèi)3、T內(nèi)5、T內(nèi)6、T內(nèi)8、T內(nèi)10、T內(nèi)12的溫度數(shù)據(jù)，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(cè)逐漸平緩。橋梁中線兩側(cè)測點(diǎn)T內(nèi)5和T內(nèi)8溫度變化最大，橋梁兩側(cè)測點(diǎn)T內(nèi)1和T內(nèi)12變化最小，測點(diǎn)最大溫差可達(dá)25oC。中線測點(diǎn)T內(nèi)6溫度小于測點(diǎn)T內(nèi)5和T內(nèi)8，分析原因可能是中線位于最高點(diǎn)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(diǎn)T內(nèi)1、T內(nèi)13、T內(nèi)14、T內(nèi)23溫度變化進(jìn)行分析，根據(jù)溫度實(shí)測結(jié)果可得，豎向溫度隨著距頂板距離越遠(yuǎn)，溫度越低，最高溫度T內(nèi)1和最低溫度T內(nèi)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(huán)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(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)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(yīng)的頂板上溫度測點(diǎn)的實(shí)測溫度，單位℃；

y——腹板上溫度測點(diǎn)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(jìn)行鋼主梁施工，日照引起的溫度場在頂板和底板之間產(chǎn)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?shù)装逦灰频挠绊?/h3>

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?shù)装遄畲鬁夭顣r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(jìn)行計(jì)算，得出6 月22 日最大溫差對鋼箱梁產(chǎn)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?shù)装鍦夭顚︿撓淞浩囱b的主要影響在橋梁端部。在中午12～14 時鋼箱梁頂?shù)装鍦夭钸_(dá)到最大，溫差使鋼箱梁產(chǎn)生多方位的位移。其中，上下位移正負(fù)差達(dá)到5.12mm。在端部產(chǎn)生向下的最大位移，在跨中部分產(chǎn)生向上的最大位移。

4.3溫差對頂?shù)装鍛?yīng)力的影響

使用橋梁博士軟件對鋼箱梁斜拉橋進(jìn)行計(jì)算，得到6月22日頂?shù)装逵捎跍夭町a(chǎn)生的正應(yīng)力，如圖6所示。

圖6 6月22日頂?shù)装鍛?yīng)力

由圖可知，上下翼緣溫差使鋼箱梁頂?shù)装瀹a(chǎn)生較大的正應(yīng)力。其中橋梁端部應(yīng)力差值最大，達(dá)到185MPa左右。同時，底板端部產(chǎn)生了最大壓應(yīng)力31.27MPa，橋梁跨中部分產(chǎn)生最大拉應(yīng)力207.35MPa。

5 結(jié)論

通過分析鋼箱梁溫度場數(shù)據(jù)，結(jié)合有限元分析，可得到結(jié)論和建議如下：

⑴鋼箱梁受溫度影響較大，白天太陽輻射產(chǎn)生正溫差，頂板溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于底板溫度；晚上鋼箱梁散熱產(chǎn)生負(fù)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(yīng)進(jìn)行處理，防止長時間溫差對鋼箱梁產(chǎn)生破壞。

⑶通過對鋼箱梁實(shí)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(chǔ)。

⑷鋼箱梁受溫度影響會產(chǎn)生位移和應(yīng)力。主梁端部產(chǎn)生向下位移和最大壓應(yīng)力，在跨中產(chǎn)生向上的位移和最大拉應(yīng)力。溫差對橋梁位移影響較小，但會對橋梁產(chǎn)生較大的應(yīng)力。在夏季晴朗天氣下，應(yīng)注意頂?shù)装鍦夭顚κ┕て陂g主梁內(nèi)力的影響。