三主桁鋼桁梁鐵路橋溫度場研究

汪水清 （寧安鐵路有限責任公司，安徽 蕪湖 241000）

1 研究背景

溫度對橋梁結構受力有較大的影響，除有效溫度變化引起橋梁結構變形外，截面溫度梯度變化還會引起結構附加的溫度應力[1]。這就給橋梁施工時的標高控制，內力控制等帶來一系列困難[2]。東營黃河公路鋼斜拉橋施工時，由日照引起頂、底板溫度變化，導致高程變化2 cm～5 cm，由日光側照引起主梁中線偏移值達5cm之多；杭州江東大橋鋼箱梁頂推施工中，梁體的不均勻溫度場導致拼裝平臺上已拼梁段尾端最大豎向位移達3.5cm。

為了確定結構物內的溫度應力，一般要分兩步來實施：首先用實驗或理論方法來確定結構內各點在各瞬時的溫度，即“溫度場”，而前后兩個溫度場之差就是結構物的變溫場或溫度荷載；然后，根據結構物的溫度荷載，用理論或實驗方法來確定結構物內各點的溫度應力。當前國內外對混凝土構件溫度場分析已相當成熟[3-5]，其溫度荷載的計算方法先后納入橋梁設計規范[6]。對鋼箱梁溫度場及其效應分析的研究也有相當進展[7]。而對于鋼桁梁，特別是三主桁鋼桁梁結構溫度場，至今研究資料匱乏。文章將對三主桁鋼桁梁溫度場進行測試分析。

2 工程概況

安慶長江鐵路大橋是南京至安慶城際鐵路和阜陽至景德鎮鐵路的重要組成部分，距已建成的安慶長江公路大橋22km。大橋主橋采用六跨連續鋼桁梁雙塔斜拉橋，跨度組成為（103+188.5+580+217.5+159.5+117.5）m，全長1366 m。主梁為三片主桁鋼桁梁，桁間距2m×14m，節間長14.5m，桁高15m。主塔為鋼筋混凝土結構，塔高210m，斜拉索為空間三索面，立面上每塔兩側共18對索，全橋216根斜拉索。所有橋墩上均設豎向和橫向約束，4#塔與主梁之間設縱向水平約束，3#塔與梁間使用帶限位功能的粘滯阻尼器。橋梁概況見圖1所示。

圖1 安慶長江鐵路大橋

圖2 溫度測試數據采集及分析系統示意圖

圖3 鋼桁梁溫度測試斷面布置圖

圖4 E斷面溫度測點布置圖

3 溫度現場測試及數據分析

3.1 測試方法和測點布置

安慶長江鐵路大橋為多次超靜定結構，溫度將對斜拉橋的內力及線形產生重要影響。在本次測試中引進了美國數字化溫度傳感器及無線（有線）測控儀采集系統。該溫度測試系統由于采用數字信號采集傳輸，數據不會失真，提高了系統的穩定性和抗干擾性，同時大大減少了系統的電纜數，更保證了溫度測量的同步性，且感溫元件的制作精度高，傳感器也無須另外標定。其工作原理如圖2所示。

圖5 鋼桁梁溫度測點布置圖

圖7 上弦上游桁主要測點溫度變化圖

圖8 下弦上游桁主要測點溫度變化圖

圖9 上弦各測點溫度變化對比圖

圖10 下弦各測點溫度變化對比圖

選擇主梁具有代表性的截面布置傳感器，通過測量主梁橫向溫度場及沿縱向的變化，了解主梁溫度場情況。由于鋼板較薄，導熱性能好，可忽略沿厚度方向的溫度梯度，沿厚度方向的熱流動也可不考慮，故可以通過在鋼桁梁鋼板內壁布設溫度測點，實測鋼桁梁溫度場的變化情況，從而得出鋼桁梁各部位溫度變化情況及最大日照溫度梯度。

溫度測試斷面及測點布置見圖3~6。

3.2 鋼桁梁溫度實測數據及分析

太陽總輻射強度是影響日照升溫溫度荷載的主要因素，是結構表面換熱的主要熱源，也是結構內部處于高溫差分布的主要因素。從設計計算的角度來看，考慮太陽輻射引起的短時溫差效應，一般是以某一時刻的最大溫度梯度為設計控制荷載的。因此選擇那些天氣晴朗、太陽輻射強烈的典型日子進行24h、時間間隔為1h的溫度測量。

本研究選取2012年7月31日凌晨1時至晚上24時E斷面測點溫度測試數據為例子進行分析。

3.2.1 上弦、下弦上游桁溫度變化對比（見圖7、圖8）

從圖7和圖8可以看出，鋼桁梁溫度受外界溫度影響。同樣是上游桁，測點位置不同，接受陽光輻射不同，溫度場也有差異。上弦上游桁各測點受陽光照射時間長且劇烈，各點溫度差異比較大。從圖7可以看出，上弦上游桁各測點從7:00至13:00，由于陽光輻射的逐步增強，溫度呈上升趨勢。13:00以后，陽光輻射逐步減弱，溫度呈下降趨勢。11通道測點位于接受陽光輻射比較弱的位置，相對于另外3個測點溫度變化比較穩定。上弦上游桁各測點最大溫差在13:00左右，最大溫差為5.63℃。下游上弦桿位于外側的兩個測點接受陽光輻射時間長，里側的2個測點相對比較弱，因此1通道測點和10通道測點溫度變化比較大，而9通道測點和3通道測點則相對比較穩定。從圖8可以看出，1通道測點和10通道測點在8：00左右有明顯的升溫過程，之后由于陽光輻射角度的不同，溫度逐步下降，在下午17:00左右又有小幅升溫。而9通道測點和3通道測點由于受不到陽光直射，溫度比較穩定，在8:00至16:00由于大氣溫度較高有小幅的逐步升溫。下弦上游桁各測點最大溫差在11:00左右，最大溫差為12.89℃。

3.2.2 上弦和下弦各測點溫度變化對比（見圖9、圖10）

從圖9可以看出，上弦各桿測點最大溫差在16:00左右，最大溫差為5.25℃，上弦各桿測點在7:00至20:00之間均有較大起伏。從圖10可以看出，下弦各桿測點最大溫差在11:00左右，最大溫差為11.87℃。下弦各桿測點最大溫差大于上弦各桿最大溫差，因為下弦測點在同一時刻外側測點接受陽光輻射大，而內側接受陽光輻射少，溫度差異比較大。上、下弦各測點溫度均有先升后降的過程，這是由于太陽輻射的強度也有先升后降的變化趨勢。而通過兩圖對比可知，下弦外側測點通道1和9有突然的升溫和降溫過程，說明其對太陽輻射十分敏感。下弦的中游測點和下游測點相對于上弦，溫度變化不那么明顯，主要是因為其位于背陽處，溫度變化主要是由環境溫度的變化引起。

3.2.3 上弦、下弦各桿溫度變化對比（見圖11）

圖11 上弦下弦各桿溫度變化對比圖

圖6 溫度測點布置現場圖

從圖11可以看出，上下弦各桿最大溫差在12:00左右，最大溫差為7.23℃。上、下弦各測點在7:00至14:00之間溫度均逐步升高，上弦各測點溫度升高明顯強于下弦。而在22:00至7:00之間，下弦各測點溫度略高于上弦各測點溫度，說明上弦各測點溫度上升和下降都比較明顯，而下弦各測點溫度則比較穩定。這主要是由于上弦各測點接受陽光輻射時間長，強度大，而鋼桁梁對太陽輻射比較敏感，因此上弦各測點溫度有明顯的上升和下降趨勢；而下弦選取的3個主要測點處于背陽位置，接受陽光輻射少，溫度變化不那么明顯。

4 結 論

①太陽輻射強度是影響鋼桁梁溫差分布最重要的因素，外界氣溫變化對鋼桁梁的溫度分布也有一定的影響。

②鋼桁梁對太陽輻射十分敏感，鋼桁梁上弦桿在有太陽輻射時升溫迅速，無太陽輻射時降溫迅速。

③溫差主要集中在鋼桁梁的向陽側，在梁的背陽側，溫度分布比較均勻且波動較小。在斜拉橋主橋施工階段必須要考慮溫度對鋼桁梁的內力及變形的影響。

[1]王解軍,李小國,殷燦彬.高墩大跨連續剛構箱梁橋的溫度場測試研究[J].中南林業科技大學學報,2011(4).

[2]葛耀君,翟東,張國泉.混凝土斜拉橋溫度場的試驗研究[J].中國公路學報,1996(2).

[3]李艷,李小國,楊可可.連續剛構橋箱梁溫度場測試研究[J].交通科技,2011(3).

[4]李全林.日照下混凝土箱梁溫度場和溫度應力研究[D].長沙：湖南大學,2004.

[5]劉興法.混凝土結構的溫度應力分析[M].北京:人民交通出版社,2003.

[6]TB10002.1-2005,鐵路橋涵設計基本規范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[7]楊寧.無鋪裝層鋼箱梁日照溫度場及其效應分析[D].長沙:長沙理工大學,2009.