氣候環境因素作用下預應力混凝土箱梁橋溫度場分析

王文利，陳松男，張文嬌，簡家碩，孫悅

（1.吉黑高速山河至哈爾濱段工程建設項目辦，哈爾濱 150080；2.黑龍江省公路建設中心，哈爾濱 150080；3.黑龍江大學建筑工程學院，哈爾濱 150080）

0 引言

公路交通建設作為我國基礎民生的工程之一，與社會經濟發展有著十分密切的聯系。隨著當前城市化建設速度的不斷提升，公路交通建設的速度也在不斷加快，有效推動了經濟的不斷發展，成績斐然。并且混凝土箱梁橋由于其新型材料和創新設備以及新技術的廣泛應用，使得其結構性能得到了大幅提升，具有較強的跨越能力，已成為橋梁的主要梁體形式。混凝土箱梁橋的建設在取得巨大成就的同時，也面臨著許多亟待解決的難題[1,2]。其中，對于混凝土箱梁溫度場和溫度作用效應的研究受到了國內外學者的高度重視[3～5]。混凝土材料不同于鋼材，其導熱性能較差，并且混凝土箱梁橋會長期暴露于露天環境中，在太陽輻射、氣溫變化、風速和氣壓等氣候環境因素作用下，混凝土箱梁內部溫度分布呈現出非線性特征[6]，產生較大的溫度應力和變形[7，8]。這種由溫度作用產生的應力和變形進一步造成了裂縫的開展和延伸，嚴重影響混凝土箱橋梁的安全性和耐久性。影響混凝土箱梁的因素較多，環境因素是不可忽略的因素之一[9]，因此環境因素對混凝土箱梁溫度梯度的制定具有重要意義。

環境因素對箱梁溫度場的影響較大，氣候環境因素主要包括太陽輻射強度、大氣溫度、箱內溫度及風速等。文中以某匝道橋-預應力混凝土組合箱梁橋為工程背景，基于現場觀測數據和有限元模型分析，分析在梁高和腹板板厚方向的溫度分布特點和變化規律，系統分析了環境因素對混凝土箱梁溫度效應的影響，對類似橋梁的溫度應力設計計算具有指導意義。

1 工程背景

項目溫度場的研究以某匝道橋為工程背景，橋梁孔徑布置為5×2500cm，上部結構采用預應力混凝土簡支轉連續組合箱梁，橋梁全長12777cm，交角90°，下部結構采用肋板式橋臺，蓋梁柱式橋墩，基礎采用鉆孔樁基礎。橋面布置為75cm 護欄+750cm 行車道+75cm 護欄=900cm，橫向布置三片箱梁。橋梁立面、橫向、斷面布置如圖1 所示，其中跨中附近斷面詳細尺寸見圖1（c），頂板、底板和兩側腹板的厚度均為18cm。

圖1 橋型布置圖（單位：cm）

2 溫度場監測方案

2.1 溫度測點布置

混凝土箱梁溫度場的變化突出的情況一般為箱梁的豎向和橫向溫差情況。箱梁豎向溫差主要考慮頂板位置的上緣和底板位置的下緣，箱梁橫向溫差考慮腹板內側和外側。選取該匝道橋第5 跨作為試驗跨，測試斷面距離4 號墩中心位置為10m，如圖1（a）所示，在測試斷面中選取日照強烈的一側邊梁作為試驗梁，如圖1（c）所示。溫度測點布置如圖2 所示，其中1和2 測點布置在頂板位置，3、4 和5 測點布置在腹板中部，6 和7 測點布置在底板位置，箱梁豎向和橫向溫差的分布情況可以通過分析圖2 中靠近日照一側腹板的特征溫度測點的數據得到。

圖2 溫度特征點布置

2.2 溫度傳感器和測試設備

選取PT100 溫度探頭作為測溫元件，測試精度平均為0.16℃，最大不超過0.5℃，測試范圍覆蓋-40℃～120℃區間，如圖3（a）所示。采集設備Jinko7000 多路溫度記錄儀，可以同時記錄8～64 路的溫度數據，采集精度為±0.5℃，如圖3（b）所示。PT100 溫度探頭安裝如圖4 所示。

圖3 溫度傳感器和采集設備

圖4 PT100 溫度探頭安裝

3 有限元模型的建立

采用ABAQUS（2021）有限元軟件對5×2500cm 預制混凝土連續組合小箱梁橋實橋建模，采用solid 單元建立連續組合小箱梁橋實橋模型。首先在CAD 中繪出箱梁橫截面形狀，將該文件另存為DXF 文件，然后再將該截面文件導入ABAQUS 有限元軟件中，長度設為12500cm，劃分網格時，將網格大小設置為5cm，采用C3D8R 單元類型。有限元模型示意圖見圖5。

圖5 有限元模型的建立（單位：cm）

4 結果與分析

4.1 太陽輻射強度影響

夏季太陽輻射強度大，冬季輻射強度小，秋季輻射強度居中，分別選取夏季、秋季和冬季的某天測試箱梁頂板、腹板和底板受到的太陽輻射強度。夏季6月10 日、秋季9 月13 日和冬季12 月16 日3d 不同時刻的太陽輻射強度測試結果，如圖6 所示。

圖6 箱梁頂板、腹板和底板太陽輻射強度

從圖6 中可以看出，在時間相同的情況下，箱梁頂板的輻射強度遠大于腹板和底板的輻射強度，其中腹板和底板的輻射強度相差不大。在同一天中隨著日照的變化，頂板、腹板和底板均表現為先增大后減小的趨勢，在中午12 時輻射強度達到最大值。不同季節太陽輻射強度不大，但頂板位置輻射強度差別最大，這是由于頂板可以受到太陽直射，以12h 為例，夏季6月10 日、秋季9 月13 日和冬季12 月16 日的輻射強度分別為863.2、648.4 W/m2和253.2 W/m2，分別記錄這3d12h 測點1～7 溫度數據，試驗結果如圖7 所示。

圖7 輻射強度對箱梁溫度分布的影響

從圖6 和圖7 中可以看出，從夏季到冬季，輻射強度逐漸降低，對頂板溫度（測點1）和箱梁上緣溫差（測點1 和4 的差值）影響很大，均呈現出逐漸降低的趨勢，對腹板表面溫度（測點3）、底板溫度（測點7）、橫向溫差（測點3 和4 的差值）、下緣溫差（測點6 和7的差值）影響較小。

4.2 大氣溫度影響

大氣溫度的影響主要包括平均溫度和日較差，但平均溫度對箱梁頂板、腹板和底板的溫差較小，主要需要考慮日較差的影響。取平均溫度相同，日較差分別23、13℃和3℃的3 種工況進行分析，分析結果如圖8 所示。從圖8 中可以看出，大氣溫度對箱梁外表面溫度（測點1、3 和7）影響較大，對腹板中部（測點4）、箱內表面（測點5）溫度基本沒有影響，對箱梁豎向溫差及橫向溫差影響主要是箱梁外表面溫度引起的。

圖8 大氣溫度對箱梁溫度分布的影響

4.3 箱內溫度影響

混凝土箱梁溫度場的影響與箱內溫度有一定的關系，對以下4 種工況進行考慮：

工況1：箱內溫度隨時間變化，取箱內實測溫度作為分析依據，如圖9 所示，溫度平均值約為24℃，波動值約為6℃。

這種模式適用于后方陸域寬敞且具有一定規模的港口或碼頭群。1997年寧波港利用世行增、貸款建成了環保專用碼頭、環保船、船舶固體廢棄物處理廠和油污水處理廠等設備設施。此外寧波煉油廠碼頭配備了儲罐，化學品洗艙廢水由罐車轉運至生產廠區處置，其年接收能力按罐車轉運能力估算為7300t。

圖9 箱內實測溫度

工況2：假設箱內溫度與時間無關，不隨時間變化，箱內溫度假定為24℃。

工況3：假設箱內溫度與時間無關，不隨時間變化，箱內溫度假定為18℃。

工況4：假設箱內溫度與時間無關，不隨時間變化，箱內溫度假定為30℃。

4 種工況箱梁各測點的溫度結果如圖10 所示。從圖10 中可以看出，箱內溫度只對箱梁內表面溫度（測點5）有較大影響，對其他測點的溫度基本沒有影響，在分析計算時可以不考慮時間的影響，箱內溫度簡化為平均溫度輸入。

圖10 箱內溫度對箱梁溫度分布的影響

4.4 風速影響

風速的作用對混凝土箱梁與空氣兩者之間的綜合換熱系數有一定的影響；具體表現在，綜合換熱系數會隨著風速的變化而發生變化，從而風速對混凝土箱梁的溫度分布產生影響。對于同一個箱梁，不同位置處風速也有較大差別，尤其是箱梁頂板、底板和腹板3個位置，考慮以下3 種工況進行分析見表1。

表1 不同風速作用各位置處綜合換熱系數

3 種工況箱梁各測點的溫度結果如圖11 所示。從圖11 中可以看出，風速對箱梁外表面溫度有輕微影響，但影響很小，對內表面溫度基本沒有影響。

圖11 風速對箱梁溫度分布的影響

5 結語

文中以某座實際橋梁為工程背景，基于溫度測試和有限元模型，系統分析了環境因素對預應力混凝土組合箱梁橋溫度分布的影響，可以得到如下結論：

（1）從夏季到冬季，輻射強度逐漸降低，對頂板溫度和箱梁上緣溫差影響很大，均呈現出逐漸降低的趨勢，對腹板表面溫度、底板溫度、橫向溫差和下緣溫差影響較小。

（2）大氣溫度對箱梁外表面溫度影響較大，對腹板中部、箱內表面溫度基本沒有影響，對箱梁豎向溫差及橫向溫差影響主要是箱梁外表面溫度引起的。

（3）箱內溫度只對箱梁內表面溫度有較大影響，對其他測點的溫度基本沒有影響，在分析計算時可以將箱內溫度簡化為平均溫度。

（4）風速對箱梁外表面溫度有輕微影響，但影響很小，對內表面溫度基本沒有影響。

在實際橋梁工程建設當中，應著重考慮太陽輻射對箱梁橋的溫度效應，在這種溫度效應作用下箱梁頂板溫度與腹板和底板溫度的溫差比較大，很有可能引起箱梁腹板和底板的開裂，對橋梁的安全性、適用性和耐久性造成影響，這也會導致一系列橋梁病害問題的發生。