橋梁溫度場研究現(xiàn)狀及分析

劉 登，鄧德員，陳玉驥 ，*陳 舟，楊國飛

（1.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院土木工程系，廣東佛山528000；2.中建鋼構(gòu)有限公司華南大區(qū)，廣東廣州510640）

自從溫度變化引起橋梁結(jié)構(gòu)開裂這一現(xiàn)象被研究人員發(fā)現(xiàn)后，國內(nèi)外學(xué)者對橋梁結(jié)構(gòu)溫度場及溫度效應(yīng)進(jìn)行了大量的研究。筆者認(rèn)為可依據(jù)研究方向與側(cè)重點(diǎn)的不同，將其劃分為以下4個部分：第一，影響因素分析。著重研究影響結(jié)構(gòu)溫度分布的因素，包括日輻射強(qiáng)度、鋪裝層厚度、截面形狀及尺寸、橋梁方位及其所處地理環(huán)境等；第二，溫度分布維度及分布規(guī)律研究。著重研究橋梁在日溫差環(huán)境下的溫度分布情況，由最初一維溫度場的研究過渡到二維、三維溫度場的研究；從單一的溫度線性分布到復(fù)雜的非線性分布；第三，溫度應(yīng)力及溫度效應(yīng)研究。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，溫度應(yīng)力的計(jì)算由最初的手算過渡到目前的有限元分析及數(shù)值模擬，溫度效應(yīng)的研究也日益精細(xì)化、系統(tǒng)化；第四，溫度研究理論的運(yùn)用。溫度研究理論的日漸成熟，為工程的設(shè)計(jì)施工提供了有力的指導(dǎo)，也為后期結(jié)構(gòu)病害的預(yù)防處置提供了寶貴的意見。

1 結(jié)構(gòu)溫度場研究的幾個方面

1.1 影響因素分析

早在1978年，PRIESTLEY通過對預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁溫致開裂的研究，提出借助氣象資料預(yù)測混凝土結(jié)構(gòu)豎向溫度梯度的方法。并基于溫度分布規(guī)律，忽略縱橫向溫度變化的影響，建立了簡化的一維熱傳導(dǎo)模型，其中考慮了風(fēng)速、日溫變化、瀝青層厚度和太陽輻射熱吸收率的影響，分析了7種不同類型截面，得出了著名的五次拋物線函數(shù)的溫度分布模型。除此之外，他還討論了溫度應(yīng)力與裂縫發(fā)展及結(jié)構(gòu)承載力間的關(guān)系，為結(jié)構(gòu)溫度場的研究開辟了新道路［1］。

1986年RAO在對各種參數(shù)分析的基礎(chǔ)上，總結(jié)出大氣環(huán)境與橋梁外部約束情況是影響混凝土結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力分布的主要因素［2］。1992年MOORTY認(rèn)為以往涉及溫度效應(yīng)的計(jì)算方法并不適用于曲線橋等橋型。隨后，他對曲線橋的溫度效應(yīng)做了一系列分析，論述了截面幾何尺寸和支承條件等因素對梁體受力與變形等的影響；結(jié)果表明曲線橋或斜交橋因構(gòu)造上的獨(dú)特性其溫度效應(yīng)相比直橋更加復(fù)雜，且?guī)缀涡螤詈椭螚l件的變化對溫度應(yīng)力的影響更為敏感，在工程中應(yīng)予以重視［3］。

ENRIQUE等人通過簡單的模型分析了截面幾何特性對混凝土箱梁溫度應(yīng)力和溫度效應(yīng)的影響，認(rèn)為在橋梁結(jié)構(gòu)的所有幾何參數(shù)中，箱梁頂?shù)装鍖挾戎群蜕喜拷Y(jié)構(gòu)的建筑高度對結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度分布及熱力學(xué)行為影響最大，而主梁截面為單箱或多箱對其影響則不是很明顯［4］。

郝超對影響鋼箱梁橋溫度場分布的各種參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析，考慮到鋼板較薄且導(dǎo)熱性良好，忽略沿板厚度方向的溫度梯度，認(rèn)為截面的熱流動主要取決于熱傳導(dǎo)，并采用最小二乘法估算了參數(shù)的最佳值［5］。

2011年張玉平以無鋪裝層的鋼箱梁為研究對象，運(yùn)用有限元軟件對影響鋼箱梁溫度場分布的風(fēng)速、太陽輻射率與鋼板吸收率等參數(shù)進(jìn)行了分析，研究表明鋼板的吸收率對無鋪裝層鋼箱梁的溫度效應(yīng)影響最大。并以此為基礎(chǔ)，采用指數(shù)函數(shù)加一次函數(shù)的形式，推導(dǎo)了適用于多地區(qū)的無鋪裝層鋼箱梁豎向溫度梯度分布公式［6］。

王步高以廣州大橋?yàn)槔治隽孙L(fēng)速、橋塔方位、大氣透明度、驟然降溫對混凝土橋塔熱力學(xué)性能的影響，定性得出了當(dāng)橋塔較高且橋面風(fēng)速較大時，風(fēng)速沿塔高方向的變化對橋塔溫度應(yīng)力的影響不可忽略的結(jié)論，但其研究缺乏實(shí)測值的對比，所得結(jié)論還需進(jìn)一步的驗(yàn)證［7］。

西南交通大學(xué)的顧穎等人基于ASHRAE晴空模型，運(yùn)用ANSYS模擬太陽輻射強(qiáng)度的變化以及箱梁頂板對腹板的遮擋作用，研究發(fā)現(xiàn)混凝土箱梁的溫度梯度在豎向主要集中在梗腋區(qū)域，橫向集中在底板靠近腹板的區(qū)域；當(dāng)腹板受到太陽直射時，底板端部區(qū)域與底板其余部位存在較大的橫向溫差，建議在設(shè)計(jì)驗(yàn)算時，對翼緣懸臂段相對較短的混凝土箱梁，考慮底板橫向溫差的影響［8］。

1.2 溫度分布維度及分布規(guī)律研究

早期有關(guān)結(jié)構(gòu)溫度場方面的研究受溫度分布理論與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的限制，大量的工作是在簡化的一維溫度場分布模式基礎(chǔ)上進(jìn)行的。

1974年，德國的凱爾別克詳細(xì)論述了太陽輻射、大氣反射等氣象因素對混凝土橋梁溫度分布的影響，并按一維導(dǎo)熱理論求解了結(jié)構(gòu)的自約束應(yīng)力和橋梁外約束應(yīng)力。同時對梁體在不同類型溫度分布和各種計(jì)算參數(shù)下的受力進(jìn)行了分析，該方法考慮因素較為全面，但計(jì)算復(fù)雜，不便于在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［9］。

LEE和KALKAN認(rèn)為AASHTO規(guī)范雖然為混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中豎向溫度梯度的選取提供了參考，但忽略了結(jié)構(gòu)橫向溫度分布的影響，因而在實(shí)驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上提出了橋梁上部結(jié)構(gòu)表面正溫度梯度的非線性公式，并使用該公式估算出了結(jié)構(gòu)的最大溫差［10］。

隨著橋梁結(jié)構(gòu)溫度場研究的日漸深入，一些學(xué)者們發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度分布按一維考慮存在很大的局限性，且與實(shí)際情況相比有較大的差異。

20世紀(jì)80年代末，劉興法在對大量試驗(yàn)觀測資料分析和研究的基礎(chǔ)上，認(rèn)為溫度沿橋長方向的變化不大，從而將箱梁溫度場分布的三維問題簡化為二維問題，并進(jìn)一步表明二維溫度應(yīng)力可按豎向和橫向的一維溫度場計(jì)算后疊加。還提出了求取箱梁溫度分布的半經(jīng)驗(yàn)公式，該方法被納入《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范（TBJ2-85）》［11］。

HOFFMAN對一座預(yù)應(yīng)力箱梁橋的溫度場和變形情況進(jìn)行了測試，將自然環(huán)境中的溫度變化劃分為三種類型：季節(jié)性溫度變化、日照溫度變化、驟然降溫溫度變化。認(rèn)為從結(jié)構(gòu)的熱邊界條件看，將溫度場一維分析的結(jié)果用于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算是不可靠的。并對該橋進(jìn)行了三維、二維、一維的熱傳導(dǎo)分析，結(jié)果表明箱梁的溫度場并不能簡化為簡單的一維溫度場［12］。

1983年ELBADRY和GHAIL以一座混凝土橋梁為研究對象，觀測了其在日輻射環(huán)境下的溫度變化，詳細(xì)論述了邊界條件的確定方法，利用Galerkin加權(quán)余量法求解了結(jié)構(gòu)二維瞬態(tài)溫度場，并考慮了截面形狀、材料導(dǎo)熱系數(shù)、橋梁方位角、風(fēng)速等眾多影響因素，編制了用于計(jì)算橋梁截面溫度場分布的二維有限元分析程序 FETAB［13］。

2006年陳家齊等在對湛江海灣大橋鋼箱梁施工過程中溫度場的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，底板橫向溫差受環(huán)境變化影響較小，可以忽略；而頂板溫差在強(qiáng)日照天氣能達(dá)到15℃左右，對主梁線型影響較大［14］。但計(jì)算時，由于橫向溫度梯度加載困難，仍舊按均勻分布的溫度考慮，忽略了鋼箱梁橫向溫度梯度效應(yīng)，存在一定的誤差。2015年新修的《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》對橫向溫度梯度作用作了有關(guān)規(guī)定，新規(guī)范認(rèn)為“對于無懸臂的寬幅箱梁，宜考慮橫向溫度梯度引起的效應(yīng)”，同時給出了整體式箱梁與分離式箱梁的橫向溫度梯度分布模式，并建議根據(jù)實(shí)際調(diào)查確定溫度梯度的取值［15］。

2015年汪東林以某懸索橋?yàn)槔趯?shí)驗(yàn)中首先對主纜結(jié)構(gòu)表觀熱擴(kuò)散系數(shù)與表觀導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了分析，得出了一套主纜溫度場的普適計(jì)算方法。隨后通過實(shí)橋現(xiàn)場測試，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的由纜索表面測點(diǎn)溫度平均值獲得整個截面平均溫度的方法與實(shí)測值存在一定的差異，并在試驗(yàn)中對其所得計(jì)算方法進(jìn)行了驗(yàn)證［16］。

1.3 溫度應(yīng)力及溫度效應(yīng)研究

半個多世紀(jì)以來，溫度應(yīng)力對橋梁結(jié)構(gòu)的危害已逐漸為國內(nèi)外工程師所重視，溫度變化對構(gòu)筑物的影響隨著研究的日益深入已趨于成熟。1961年，ZUK從約束條件、材料組成等方面探討了組合梁4種不同溫度分布模式下的應(yīng)力（溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力）與變形，研究發(fā)現(xiàn)組合梁在上述作用下的橫向拉應(yīng)力與撓度過大，超出以往規(guī)范要求，并通過理論推導(dǎo)給出了組合梁在各種溫度分布和收縮條件下縱橫向應(yīng)力的計(jì)算公式，通過實(shí)際工程對其結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證［17］。

1986年，鐵道科學(xué)研究院西南研究所的劉興法研究了混凝土箱梁在日輻射環(huán)境下的溫度場與溫度效應(yīng)，對溫度荷載的特性與計(jì)算等方面做了大量論述，根據(jù)4項(xiàng)基本假定，提出了溫度應(yīng)力的簡化計(jì)算方法，并將紅水河鐵路斜拉橋的計(jì)算結(jié)果同實(shí)測值進(jìn)行了比較，取得了較好的效果［18］。他提出的計(jì)算公式因能同時兼顧縱橫向溫度應(yīng)力，所得結(jié)果相比以往更為可靠，長期以來被用于工程研究當(dāng)中。

王林參照國內(nèi)外5種規(guī)范規(guī)定的溫度梯度，對一連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋的溫度效應(yīng)做了計(jì)算比較，指出了我國現(xiàn)行公路規(guī)范在溫度梯度方面的不足，并發(fā)現(xiàn)溫度應(yīng)力與箱梁預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的二次應(yīng)力相組合將在主梁下緣產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，對結(jié)構(gòu)抗裂不利［19］。郭瑞軍［20］等采用同樣的辦法，對各國溫度梯度模式下橋梁的溫度效應(yīng)進(jìn)行了對比。結(jié)果表明不同溫度梯度曲線作用下截面的溫度應(yīng)力差異顯著，應(yīng)結(jié)合具體橋梁進(jìn)行分析。

在非穩(wěn)態(tài)溫度場及溫度應(yīng)力的數(shù)值分析方面，沈肇基［21］、梅甫良［22］等學(xué)者都曾進(jìn)行過深入的研究，并提出了溫度應(yīng)力的有限元計(jì)算方法及相關(guān)控制措施。沈肇基通過理論推導(dǎo)，認(rèn)為基于向前差分法的顯示方法在求解不穩(wěn)定溫度場時存在較大的誤差，在對比研究中對有限元算法表示了肯定。同時他還對計(jì)算時步長的選取做了細(xì)致的分析，在一定程度上提高了計(jì)算精度。他們的研究成果為結(jié)構(gòu)非穩(wěn)態(tài)方面的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

2005年郭建根據(jù)結(jié)構(gòu)熱分析和熱應(yīng)變分析的單向耦合，對混凝土斜拉橋主梁的非穩(wěn)態(tài)溫度場與應(yīng)力場進(jìn)行了分析，并應(yīng)用變分原理給出了溫度場和應(yīng)力場的有限元計(jì)算模式，結(jié)果表明分離式箱梁截面的主梁頂板、底板、內(nèi)腹板的中間部位以及兩個箱體間的橋面板與內(nèi)腹板相交處主拉應(yīng)力分布復(fù)雜且較為集中，設(shè)計(jì)、監(jiān)控時應(yīng)予以足夠的重視［23］。

2007年彭友松等認(rèn)為以往混凝土橋梁溫度應(yīng)力計(jì)算的方法，忽略了各應(yīng)力分量之間的相互關(guān)系。他們從提高混凝土箱梁三維計(jì)算精度的角度出發(fā)，考慮泊松效應(yīng)所引起的不同方向溫度應(yīng)力分量間的相互耦合作用，提出了一套基于熱彈性理論的三維溫度應(yīng)力計(jì)算公式，運(yùn)用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學(xué)的計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)了對三維溫度應(yīng)力的空間分析，并能對結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的部位和發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測，最后通過實(shí)例計(jì)算證實(shí)了該公式的適用性［24］。

2012年繆長青等對運(yùn)營中的潤揚(yáng)長江大橋鋼箱梁進(jìn)行了現(xiàn)場溫度測試，認(rèn)為日照環(huán)境下，扁平鋼箱梁結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)具有典型的“箱室效應(yīng)”，實(shí)測數(shù)據(jù)計(jì)算所得的溫度應(yīng)力大于規(guī)范計(jì)算所得溫度應(yīng)力。并且還發(fā)現(xiàn)溫度荷載產(chǎn)生的應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在正交異型鋼箱梁制造焊縫附近，在設(shè)計(jì)、施工、研究中應(yīng)予以足夠的重視［25］。

1.4 溫度研究理論的運(yùn)用

2002年郭棋武等以武漢市江漢四橋?yàn)槔瑢ζ涫┕み^程中的溫度效應(yīng)進(jìn)行了觀測，采用參數(shù)識別與有限元分析方法對該橋非線性溫度梯度模式下的溫度效應(yīng)進(jìn)行理論計(jì)算，得出日溫差引起該橋主梁下緣高達(dá)1.7 Mpa拉應(yīng)力的結(jié)論。同時對施工過程中主梁立模標(biāo)高的修正問題進(jìn)行了分析和計(jì)算［26］。隨后，顏東煌［27］、毛曉東［28］等根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測情況，提出了一套完整的可結(jié)合施工控制參數(shù)識別和預(yù)測的溫度影響現(xiàn)場控制與消除方法，可用于斜拉橋施工控制中溫度影響的現(xiàn)場修正。

王能［29］，連小虎［30］等人在研究混凝土箱梁橋溫度裂縫的特點(diǎn)及影響因素時發(fā)現(xiàn)，可通過優(yōu)化箱梁梗腋或其他結(jié)構(gòu)突變部位的線形，以及增強(qiáng)箱梁底板腹板配筋的方式，控制預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋溫度裂縫，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

2007年龍佩恒等通過空間實(shí)體模型模擬箱梁橋溫度應(yīng)力，總結(jié)出梁體縱向裂縫可以采取增加截面預(yù)壓應(yīng)力的方式得到控制，而對橫向不設(shè)預(yù)應(yīng)力的箱梁，可以通過合理設(shè)計(jì)肋板和頂板的剛度比來降低橫向拉應(yīng)力，減少結(jié)構(gòu)開裂。除此之外，他還得出溫度梯度荷載峰值與橋面鋪裝層厚度有關(guān)的結(jié)論［31］。2017年李增峰等研究了裝配式空心板梁在豎向溫度梯度作用下鉸縫開裂的現(xiàn)象，認(rèn)為豎向溫度梯度是導(dǎo)致鉸縫初期開裂的重要因素，而橫向預(yù)應(yīng)力的施加不僅消除了溫度引起的拉應(yīng)力，而且使鉸縫處于受壓狀態(tài)，對提高鉸縫抗裂性能有很大的幫助［32］。但上述二者的研究僅建立在模型模擬的基礎(chǔ)上，尚需通過實(shí)際工程對其觀點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證。

2007年龔文階對混凝土箱梁橋裂縫成因及預(yù)防措施進(jìn)行了研究，認(rèn)為梁體開裂是內(nèi)因（設(shè)計(jì)、施工等方面）與外因（各種荷載、收縮徐變）等多種因素共同作用的結(jié)果，并針對裂縫的成因?qū)蛄涸O(shè)計(jì)以及施工提出了寶貴的建議［33］。

2016年徐禎耀研究了曲線型鋼箱梁在溫度作用下的傾覆穩(wěn)定和疲勞性能，認(rèn)為溫度作用會引起曲梁支座較大的豎向位移，導(dǎo)致內(nèi)側(cè)支座脫空，并總結(jié)了曲線梁橋抗傾覆的幾種實(shí)用方法。同時在研究中還發(fā)現(xiàn)瀝青混凝土鋪裝層會顯著降低鋼箱梁橋頂板的溫度效應(yīng)，而溫度荷載則會降低構(gòu)件的疲勞壽命［34］。

2 目前存在的問題

自20世紀(jì)中葉以來，有關(guān)橋梁結(jié)構(gòu)溫度場與溫度效應(yīng)方面的研究日益深入，涉及到諸多方面。在截面形式上，包括T梁、板梁、鋼桁架、箱梁等；在材料構(gòu)成上，有鋼筋混凝土橋梁、鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁、鋼結(jié)構(gòu)橋梁以及新材料橋梁等；在溫度分布模式上包含一維、二維、三維多種層次，以及線性、非線性等方面。已有研究工作均取得了寶貴的成果，為橋梁的設(shè)計(jì)、施工以及維護(hù)提供了理論支持與實(shí)際指導(dǎo)。但仍存在一些問題，比如：

（1）在溫度梯度模式的選取上，受地理氣候條件、截面形式等因素的影響，至今仍未達(dá)成共識；

（2）與溫度場有關(guān)的研究基本是在橋梁施工監(jiān)測的過程中實(shí)現(xiàn)的，由于觀測時間短，觀測條件受限無法得到溫度場隨時間變化的準(zhǔn)確規(guī)律；

（3）施工過程中橋梁結(jié)構(gòu)的邊界條件與成橋狀態(tài)下存在較大的差異，難以真實(shí)反映構(gòu)件內(nèi)部的溫度場；

（4）計(jì)算模型的精度，初始條件等的設(shè)置很大程度上影響結(jié)果的可靠性。

除此之外，數(shù)據(jù)測量時不同步，測點(diǎn)數(shù)量過少、分布不合理、代表性不足、儀器靈敏度差等問題對測試結(jié)果也造成了一定的影響。另外，目前的有限元建模，對主梁一般采用梁單元，忽略了構(gòu)件橫向受力變形的影響。而事實(shí)上，斜拉橋?qū)捪淞河捎诩袅?yīng)及外部約束的存在，橫向受力變形十分復(fù)雜，在考慮裂縫成因時，這一部分不應(yīng)被忽略。

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