武漢地區小箱梁橋溫度場與敏感性分析研究*

程仁慧 黃 峰 王 瑩 王亞飛 龔偉康 楊宏印,

(1.武漢工程大學土木工程與建筑學院 武漢 430074； 2.武漢臨空經濟區建設投資開發集團有限公司 武漢 430000；3.橋梁結構健康與安全國家重點實驗室 武漢 430034)

混凝土小箱梁橋較之T梁擁有更大的抗彎剛度，并且重心偏低，各梁之間橫向傳力充分，受力均勻，底板偏平，不易發生側翻，因其獨特的結構形式成為現代城市交通不可或缺的重要組成部分[1-2]。

我國幅員遼闊，氣候復雜多樣，全國各地的氣候各不相同，同一地點的氣候每時每刻也在發生變化。橋梁處于多變復雜的外部環境中，結構的溫度分布也不同[3]。在橋梁位置、外部環境、使用材料及截面形式等因素的影響下，不同結構形式、不同材料的橋梁，其溫度分布有著明顯的區別，現有研究大多聚焦于單一橋梁，且多以T梁橋為主，缺乏對于小箱梁橋的研究。

影響橋梁溫度分布的因素為可變因素和不可變因素。可變因素包括輻射、氣溫、風速、濕度等氣象因素及地震等突發事故和施工、行車等人為影響，本文研究主要討論氣象因素的影響。不可變因素則包括橋梁的材料、結構類型、橋梁走向、海拔等橋梁自身因素。

現有研究表明，對于橋梁可變影響因素來說，太陽輻射、氣溫、風速對橋梁結構的溫差影響最大，且太陽輻射的影響最為顯著，橋梁在不均勻的溫度分布下將產生較大的溫度變形[4-6]。此外，橋梁受到建筑物、樹木等物體的遮擋，橋梁結構的溫度分布更加復雜。對于橋梁來說，其材料、結構形式等不可變因素是確定的，不會發生太多更改，但氣象環境等可變因素卻在時刻變化，也在時刻影響橋梁的正常運營使用。

本文以武漢地區高架橋小箱梁部分為研究對象，借Taitherm軟件建立該橋梁的仿真模型，由實測與仿真對比，驗證了軟件分析的合理性。針對可變的氣象條件進行研究，通過控制變量法分析影響橋梁結構的氣象因素，根據夏季最熱月的天氣數據進行處理和分析。選出最不利溫度梯度，把最不利溫度梯度與我國小箱梁橋設計規范進行對比，發現規范在橋梁部分結構是偏不安全的。

1 仿真模型準確性的驗證

1.1 工程概況

本文以武漢市某東西走向的高架橋為工程背景，第二部分為等截面混凝土箱梁5×25 m，混凝土小箱梁采用單箱單室截面，小箱梁頂板寬總長13.25 m，左、右翼緣寬0.6 m，小箱梁頂板鋪設9 cm厚的瀝青混凝土，10 cm厚的C50混凝土調平層，10 cm厚頂板，腹板厚30 cm，底板厚16 cm。實際工程中在小箱梁橋上，布置了溫度傳感器、振弦應變計及拉繩位移計等各式傳感器，用來采集監測小箱梁橋實時溫度、應力，以及位移變化情況。傳感器采集頻率均為10 min/次。其中，混凝土小箱梁上一共布置布設16個溫度傳感器，橋梁頂板翼緣處布置了2個溫度傳感器，用于收集頂板溫度數據；梗腋處至腹板底一共布置了5個傳感器，用于收集沿腹板高度方向溫度數據；底板正中間上布置了1個溫度傳感器，用于收集底板溫度數據?；炷列∠淞簶虻臏囟葌鞲衅鞑贾脠D見圖1。

圖1 小箱梁溫度傳感器布置圖(單位：cm)

1.2 仿真模型的建立

采用ANSYS軟件建立橋梁各個部位的幾何模型，利用編譯軟件Hypermesh作為連接的平臺，對模型進行網格劃分，轉化為ANSYS可讀取的文件，最后在熱力學仿真Taitherm中賦予材料的特性，導入天氣文件，從而進行溫度場的計算。小箱梁橋共建立26個面，除底板由Taitherm劃分5層外，其余各劃分為6層，不同的板front和back所接觸的氣象條件也不一樣，模型一共有17 680個單元，其仿真模型和材料特性見圖2和表1。

圖2 小箱梁橋仿真模型

表1 結構材料屬性表

1.3 仿真與實測對比

Taitherm采用物理方法求解熱傳導、輻射和對流，在模擬實際橋梁狀況時，考慮邊界條件，能夠模擬到實際三維環境中遇到的溫度條件，利用其建立模型后，在模型上賦予實際的天氣文件和地理位置及太陽、風和云等的實際情況。根據模型求解出的結果與實際工程監測的溫度數據進行對比，驗證仿真模型的準確性。

在實際工程中，對橋梁進行為期2年的監測，本橋梁最不利溫度分布一般出現在太陽輻射強烈的夏季，特別是對于武漢來說，夏季高溫高濕的天氣更易使橋梁產生溫差[6]。結構所處的位置和太陽所照射強度和時長的不同，橋梁不同結構所產生的溫差也是不同的。對于橋面和底板，在白天橋面首先受到陽光照射，溫度迅速升高，橋梁底板由于受到遮擋，溫度升高時間稍微延后，升溫幅度小；在夜晚由于沒有太陽輻射，橋面空氣流動性較大，溫度很快降低，而橋梁底板由于處在下方被遮擋，空氣流動性相對較小，故溫度降低速度慢幅度小。小箱梁分內室與外表，就底板而言，外表底板與內室底板的溫度顯然不同，按空間模型考慮，在橫向方面，各梁和每梁底板的內外各點的溫度也有略微的差別；就腹板內外面的溫差，按空間模型考慮，在橫向差別較小，在豎向沿高度方向的溫差較大，最為明顯的為太陽照射，結構所處的高度空氣對流程度的不同和翼緣遮擋程度的不同，對結構的豎向溫差影響較大。以夏季最炎熱的8月為例，腹板和底板實測與仿真溫度對比結果見圖3。

圖3 2019年8月仿真結果與實測數據的對比

由圖3可知，混凝土小箱梁溫度仿真基準結果與實際監測數據變化趨勢大致吻合，驗證了仿真模型的準確性。因仿真模型相關參數的賦予和實際橋梁所處環境無法完全一樣，故在計算結果上可能會出現一定的偏差，且每月的初始幾天會因為邊界不收斂，仿真與實測值之差較為明顯，其余時間段橋梁不同部位溫度變化吻合度都很高，說明所建的仿真模型可以作為計算溫度場的基準模型[7]。

2 影響溫度梯度的氣象因素

氣象因素是影響橋梁日照溫度場的主要因素之一，在氣象因素中，氣溫、風速和輻射對橋梁溫度梯度影響較大。為了解這3種氣象因素對橋梁的影響程度，基于實際工程模型，采用控制變量法分別研究各氣象因素對混凝土箱梁的影響，利用化“1”原則，以7-9月份橋梁實際氣象條件為基準，將影響氣溫的3個參數相對于基準環境條件進行折減，根據參數折減的強度算出相應的最不利溫度梯度與初始條件下溫度梯度對比。

氣象因素對小箱梁豎向溫度的影響見圖4，基于建立的混凝土小箱梁仿真模型，采用控制變量將2019年7-9月的氣象數據依次按20%的等差進行遞增，其余的參數保持一樣，分別計算氣溫、風速和輻射對橋梁豎向溫度的影響。圖中0.6表示外部條件在其他條件不變的情況下，控制單一影響因素為實際環境狀態下對應因素的60%豎向溫度曲線，0.8,1.2,1.4曲線同理。

圖4 氣象因素對小箱梁豎向溫度的影響

由圖4b)可知，氣象因素中輻射對橋梁的豎向溫度影響最大，氣溫第二，風速影響較小，同時從圖4 a)和 c)可看出，氣溫和輻射與橋梁豎向溫度梯度成正比，風速則與豎向溫度梯度成反比，三者對橋梁豎向溫度梯度的影響主要集中在梁頂和梁底。對影響橋梁豎向溫度梯度的參數進行數值分析，溫度梯度模式數值對比結果見圖5。

圖5 溫度梯度模式數值對比圖

由圖5可見，當氣溫增加(減少)20%時，混凝土小箱梁豎向正溫差增加(減少)5%，最大負溫差增加(減少)8%；當風速增加(減少)20%時，混凝土小箱梁豎向正溫差減少(增加)4%，最大負溫差減少(增加)8.4%；當輻射增加(減少)20%時，混凝土小箱梁豎向正溫差增加(減少)15%，最大負溫差增加(減少)19%，研究發現，正、負溫度相比，梁底負溫差對氣象參數的敏感性更高。輻射、氣溫和風速對橋梁結構均有影響，輻射、氣溫和風速改變的越大對橋梁結構的影響也就越大，輻射和氣溫強度越大，結構的溫度梯度也變大，風速強度越大則溫度梯度變化變小，反之亦是。

3 最不利溫度梯度

由于本文混凝土小箱梁采用的是90 mm厚的瀝青鋪裝層，依據我國現行JTG D60-2018 《公路橋涵設計通用規范》，計算對于橋梁結構由于豎向溫度梯度引起的效應時，采用雙折線形式的豎向溫度梯度曲線，由于規范中所規定的數值是根據橋面鋪裝層的厚度來決定且規定的瀝青鋪裝層厚度為50 mm和100 mm[8-9]，但本橋采用90 mm鋪裝層，因此根據內插法可算出此小箱梁的T1=15.2 ℃，T2=5.74 ℃。

從現有研究來看[7-8]，橋梁最不利溫度分布一般出現在太陽輻射強烈的夏季，對于武漢，夏季高溫、高濕的天氣和冬季寒冷天氣更易使橋梁產生最不利溫度分布。通過計算實測平均氣溫，得出2019年最低平均氣溫在1-3月份，最高平均氣溫在年7-9月份；本文對1-3和7-9共6個月份數據按小時進行分析，在4 416個數據中可判斷出8月13日14：00時和1月19日03:00時，是溫差達到最大值的時刻，本文以最大時刻的溫度梯度作為夏季最不利溫度和冬季最不利溫度分別與我國規范對比，在驗證規范合理性的同時給予武漢市小箱梁橋溫度梯度提供參照，實測與規范對比結果見圖6。

圖6 小箱梁溫度梯度實測與規范值對比

由圖6可見，規范在豎向溫度曲線上的規定在對于混凝土橋梁的底板處是偏不安全的，應該引起制定規范人員的重視。

4 結語

1) 對武漢市某混凝土小箱梁橋溫度場和氣象數據進行長期監測，采用熱力學軟件建立小箱梁的仿真模型，并對實時監測數據進行收集、處理和分析，結果表明，實測與仿真模型吻合程度較好，說明用該軟件計算和分析橋梁問題有較高的準確性。

2) 在武漢市對小箱梁氣象參數通過控制變量法和化“1”原則，分別研究各主要氣象參數對小箱梁的影響，結果表明主要氣象因素中輻射對日照下箱梁豎向最大溫度梯度影響最大，氣溫次之，風速影響最小，同時表明氣溫和輻射與豎向溫度梯度呈正比，風速與豎向溫度梯度呈反比。

3) 通過對小箱梁橋夏季和冬季實時數據進行處理分析，得出最不利溫度梯度出現的時刻且與我國現有規范進行對比，對比發現現行城市橋梁設計規范的溫度梯度曲線在混凝土小箱梁的底板處是偏不安全的，以此為本市小箱梁的設計人員提供參照，也希望引起規范制定人員的重視。