摘 要：【目的】為獲取沿海地區(qū)鋼箱梁的溫度分布模式，需要對(duì)其日照溫度梯度進(jìn)行研究?！痉椒ā拷Y(jié)合深中通道某鋼箱梁橋的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，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(shí)將鋼箱梁溫度梯度的計(jì)算結(jié)果與中國(guó)公路橋梁規(guī)范和美國(guó)規(guī)范進(jìn)行了比較。【結(jié)果】研究結(jié)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(duì)應(yīng)的溫度梯度曲線可由指數(shù)函數(shù)來(lái)表示；橫向最大溫差為2.25 ℃，對(duì)應(yīng)的溫度梯度曲線可由指數(shù)函數(shù)來(lái)表示；得到的鋼箱梁溫度梯度變化趨勢(shì)與中國(guó)和美國(guó)規(guī)范規(guī)定的一致，但數(shù)值存在一定的差別?！窘Y(jié)論】該研究成果能為中國(guó)橋梁規(guī)范中關(guān)于鋼箱梁溫度梯度的相關(guān)規(guī)定的優(yōu)化提供參考。

關(guān)鍵詞：橋梁工程；熱分析；鋼箱梁；橋梁健康監(jiān)測(cè)；沿海地區(qū)；溫度梯度

中圖分類號(hào)：U441.5 " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " "文章編號(hào)：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(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，跨海大橋和沿海地區(qū)橋梁的建設(shè)日益增多，這些橋梁在提高交通便捷性的同時(shí)，也面臨著復(fù)雜的環(huán)境挑戰(zhàn)。沿海地區(qū)特有的氣候條件，如高濕度、鹽霧腐蝕及強(qiáng)烈的日照變化，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)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(jiàn)的橋梁結(jié)構(gòu)形式，因其強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、剛度大、韌性好、施工方便及焊接性能優(yōu)良而被廣泛應(yīng)用［2］。然而，鋼箱梁在日照作用下的溫度分布不均，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生溫度梯度，進(jìn)而引發(fā)熱應(yīng)力，影響橋梁的穩(wěn)定性和使用壽命［3］。

目前，關(guān)于鋼箱梁橋溫度場(chǎng)的研究方法主要分為3類，包括現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、數(shù)值解析和有限元模擬［4］。丁幼亮等［5］采用假設(shè)檢驗(yàn)方法對(duì)扁平鋼箱梁長(zhǎng)期溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了溫度分布特性分析，重點(diǎn)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(chǔ)上建立了6種最不利橫向溫差計(jì)算模型。劉揚(yáng)等［6］通過(guò)分析長(zhǎng)期實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，建立了鋼箱梁年溫差極值的分布模型。在此基礎(chǔ)上，預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)的溫差極值，并計(jì)算出溫差的標(biāo)準(zhǔn)值。此外，還利用相關(guān)系數(shù)分析法排除了不實(shí)際的溫差模型。但是，溫度實(shí)測(cè)的周期較長(zhǎng)、成本較高，且得到的溫度模式對(duì)不同地區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)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(yáng)輻射環(huán)境下的溫度分布規(guī)律。但這種方法物理意義較為模糊，且計(jì)算效率低下。因此，為探明橋梁結(jié)構(gòu)日照溫度場(chǎng)的傳熱原理，一些研究者通過(guò)解析法計(jì)算了橋梁結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)。戴公連等［8］結(jié)合氣象數(shù)據(jù)建立了雙對(duì)流邊界的一維混凝土結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)預(yù)估模型，采用積分變換法求得了預(yù)估模型的級(jí)數(shù)解。李思陽(yáng)等［9］根據(jù)熱傳導(dǎo)原理，建立帶鋪裝層的扁平鋼箱梁頂板和腹板的溫度場(chǎng)模型，利用積分變換法求得了二者溫度場(chǎng)的解析解。黃民水等［10］以傅里葉熱傳導(dǎo)定律為理論基礎(chǔ)，采用超松弛迭代法，推導(dǎo)了鋼-混組合梁的一維日照溫度場(chǎng)數(shù)值計(jì)算通用模型。

綜上所述，目前國(guó)內(nèi)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)日照溫度場(chǎng)的研究已較為全面。但針對(duì)的研究對(duì)象都是特定地區(qū)的橋梁，不具有普適性。例如，我國(guó)東南沿海地區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)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(huán)境的影響。為此，本研究以中國(guó)東南沿海地區(qū)某鋼箱梁橋?yàn)檠芯繉?duì)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(jìn)一步深入研究環(huán)境溫度對(duì)鋼箱梁結(jié)構(gòu)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(qū)處于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，這種氣候區(qū)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(shì)平坦，多位于臨海的城鎮(zhèn)，其氣候變化常受到海洋調(diào)節(jié)的作用，常年較溫和濕潤(rùn)，年平均氣溫約為21.6 ℃，2023年最高氣溫出現(xiàn)在8月，月平均最高氣溫約為32.45 ℃。因此，該鋼箱梁橋經(jīng)常受到太陽(yáng)輻射和海洋季風(fēng)的影響。

本研究對(duì)深中通道淺灘區(qū)非通航孔某鋼箱梁橋主梁進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，該鋼箱梁橋的橋位走向?yàn)闁|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(shè)計(jì)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(shè)有厚度100 mm的C50防水層。該鋼箱梁橋的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在主梁跨中截面布置了32個(gè)溫度傳感器，傳感器的測(cè)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(jiān)測(cè)截面及傳感器布置如圖2（b）所示，可見(jiàn)溫度測(cè)點(diǎn)均布置在主梁跨中截面，其中L1～L7為左腹板的溫度測(cè)點(diǎn)，C1～C11為中腹板的溫度測(cè)點(diǎn)，R1～R7為右腹板的溫度測(cè)點(diǎn)，L1、C1、R1以及T1～T4為鋼梁頂板的溫度測(cè)點(diǎn)。A1～A3為氣溫測(cè)點(diǎn)，其中A1和A2為箱室內(nèi)的氣溫測(cè)點(diǎn)，A3為箱室外的氣溫測(cè)點(diǎn)。由于3個(gè)氣溫測(cè)點(diǎn)的設(shè)置方式都避免了陽(yáng)光的照射，因此沒(méi)有受到太陽(yáng)直射加熱效應(yīng)的影響，可以保證其測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2 溫度分布特征

鋼箱梁橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的溫度傳感器的采集間隔為15 min，由于數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.1 實(shí)測(cè)氣溫

鋼梁箱室可以看作一個(gè)封閉空間，相較于箱室外的氣溫，箱室內(nèi)無(wú)空氣流動(dòng)且室內(nèi)氣溫受太陽(yáng)輻射影響較小，因此通過(guò)實(shí)測(cè)得到了2023年7月15日—2023年9月1日箱室內(nèi)和箱室外的氣溫變化規(guī)律，如圖3所示。由圖3可知，鋼材的導(dǎo)熱性較好，由太陽(yáng)輻射產(chǎn)生的熱量會(huì)通過(guò)梁體傳導(dǎo)到箱梁內(nèi)部，導(dǎo)致箱內(nèi)氣溫升高，因此箱內(nèi)氣溫普遍高于箱外氣溫。同時(shí)由于熱空氣上升和冷空氣下沉，箱內(nèi)上層氣溫始終較箱內(nèi)下層氣溫高。在2023年8月1日—2023年8月4日的連續(xù)高溫天氣下，隨著太陽(yáng)輻射不斷增強(qiáng)，箱內(nèi)氣溫與箱外氣溫溫差、箱內(nèi)上層氣溫與箱外下層氣溫溫差也不斷增大，測(cè)試期間箱內(nèi)與箱外最大氣溫溫差、箱內(nèi)上層與箱內(nèi)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(dāng)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(wú)多余遮擋物，因此頂板上不同測(cè)點(diǎn)的溫度大小和溫度變化基本保持一致。對(duì)于鋼梁腹板沿高度方向上的測(cè)點(diǎn)，其隨時(shí)間的變化趨勢(shì)保持一致，受太陽(yáng)輻射的影響，同一時(shí)刻越靠近頂板的測(cè)點(diǎn)溫度越高。且發(fā)現(xiàn)不同腹板位置，同一高度的測(cè)點(diǎn)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(nèi)部的熱傳導(dǎo)在垂直方向是相對(duì)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)鋼箱梁的溫度特征進(jìn)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(huán)境因素影響，鋼箱梁在一天當(dāng)中的豎向溫度分布呈現(xiàn)明顯的梯度現(xiàn)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(yáng)輻射強(qiáng)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(dá)到最大值。從18：00開(kāi)始，鋼箱梁開(kāi)始進(jìn)入降溫階段，腹板上所有測(cè)點(diǎn)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(shí)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(xiàn)明顯的非線性，當(dāng)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(fā)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(shè)計(jì)中需要考慮豎向溫度梯度的影響。

鋼箱梁豎向最大溫差發(fā)生時(shí)刻即為鋼箱梁豎向溫度場(chǎng)最不利時(shí)刻［11］。本研究取16：00為豎向溫差最不利時(shí)刻，以腹板底部測(cè)點(diǎn)為原點(diǎn)，各測(cè)點(diǎn)距原點(diǎn)的距離為豎向坐標(biāo)值，列出此時(shí)各測(cè)點(diǎn)的溫度及其與一天當(dāng)中各測(cè)點(diǎn)最低溫度的差值，具體見(jiàn)表1、表2和表3。以此繪制2023年8月1日的最不利時(shí)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(dá)式見(jiàn)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(cè)點(diǎn)的豎向坐標(biāo)，m；x為沿高度方向上不同測(cè)點(diǎn)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(shù)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(lái)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(yáng)輻射的直接作用，在日出后，隨著太陽(yáng)輻射的增大，鋼梁頂板溫度迅速升高，并在16：00達(dá)到最高溫度，觀測(cè)

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(shí)刻，以頂

板最左端測(cè)點(diǎn)為原點(diǎn)，各測(cè)點(diǎn)距原點(diǎn)的距離為橫向坐標(biāo)值，列出此時(shí)各測(cè)點(diǎn)的溫度及其與一天當(dāng)中各測(cè)點(diǎn)最低溫度的差值，具體見(jiàn)表4。以此繪制了2023年8月1日的最不利時(shí)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(cè)試截面橫向溫差擬合曲線的表達(dá)式見(jiàn)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(cè)點(diǎn)的最大溫差值，℃；x為測(cè)點(diǎn)的橫向坐標(biāo)，m。由圖8可知，鋼梁頂板橫向溫差擬合曲線的決定性系數(shù)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(lái)描述日照作用下鋼箱梁的橫向溫差模式。

3 中、美規(guī)范鋼箱梁溫度梯度比較分析

3.1 中國(guó)規(guī)范（JTG D60—2015）關(guān)于溫度梯度的規(guī)定

中國(guó)規(guī)范規(guī)定的溫度梯度模式如圖10所示，其中溫度基數(shù)的取值見(jiàn)表4。

3.2 美國(guó)規(guī)范（AASHTO）關(guān)于溫度梯度的規(guī)定

美國(guó)規(guī)范規(guī)定的溫度梯度模式如圖11所示，其中溫度基數(shù)T1和T2的取值見(jiàn)表5，溫度基數(shù)T3的取值為0，一般不超過(guò)3 ℃。

4 結(jié)論

本研究通過(guò)橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)收集了沿海地區(qū)某鋼箱梁橋的溫度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了各測(cè)點(diǎn)位置處的溫度分布特征，計(jì)算了鋼箱梁豎向和橫向的溫度梯度，并與中國(guó)規(guī)范（JTG D60—2015）及美國(guó)規(guī)范（AASHTO）溫度梯度的取值方法進(jìn)行了對(duì)比，得出以下結(jié)論。

①通過(guò)對(duì)日照作用下鋼箱梁的溫度分布特征進(jìn)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(yáng)輻射強(qiáng)度的增大而升高，且在17：00達(dá)到最大；從18：00開(kāi)始，鋼箱梁開(kāi)始進(jìn)入降溫階段。

②通過(guò)對(duì)鋼箱梁的溫差分布和溫度梯度曲線進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，在測(cè)試期間，鋼箱梁豎向最大溫差為13 ℃，其對(duì)應(yīng)的溫度梯度曲線可由指數(shù)函數(shù)來(lái)表示；橫向最大溫差為2.25 ℃，其對(duì)應(yīng)的溫度梯度曲線可由指數(shù)函數(shù)來(lái)表示。

③通過(guò)將計(jì)算得到的豎向梯度溫度模式與中國(guó)規(guī)范和美國(guó)規(guī)范的溫度梯度進(jìn)行比較，結(jié)果表明，其變化分布趨勢(shì)與美國(guó)規(guī)范規(guī)定的一致，但數(shù)值存在一定的差別。此外，建議補(bǔ)充完善中國(guó)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》中關(guān)于鋼箱梁溫度梯度的規(guī)定。

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