混凝土小箱梁橋溫度效應實測與仿真分析

王亞飛，徐豐，鐘繼衛(wèi)，楊宏印1，，丁章杰

（1.橋梁結構健康與安全國家重點實驗室，武漢430034；2.中鐵大橋科學研究院有限公司，武漢430034；3.武漢工程大學土木工程與建筑學院，武漢430074）

1 引言

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(fā)生側翻。在設計施工方面，絕大多數(shù)小箱梁采用預制裝配式施工，其施工工藝較為標準化，能夠保證梁片的質量。另外，在橋梁美觀及空間適用方面，對城市道路凈空要求較高的跨線橋，小箱梁具有較大的優(yōu)勢。近年來，山西省的小跨徑橋梁中，空心板及T梁橋被小箱梁大范圍取代，總體占比達到了67%，成為山西省數(shù)量第一的梁橋類型[1]。在廣東、陜西等省份，小箱梁在實際工程中也逐步取代T梁成為小跨徑橋梁的主要梁體形式[2]。

眾所周知，橋梁結構的溫度效應有可能超過汽車荷載效應，與恒載效應在一個數(shù)量級。當前，有關混凝土梁式溫度效應的研究主要集中在單箱單室或多室的大箱梁結構[3，4]，針對橫向聯(lián)系在一起共同工作的多片小箱梁橋梁結構的相關研究尚為鮮見。本文構建了一種多軟件協(xié)同仿真分析平臺，對武漢市中環(huán)線上的某跨混凝土小箱梁橋的溫度場和溫度效應進行了為期1年的實測與仿真分析，所用方法和所得結論對該類橋梁的設計、施工、管養(yǎng)可起到一定的參考作用。

2 橋梁及觀測系統(tǒng)介紹

本文的研究對象為武漢市中環(huán)線上某5×25m預應力混凝土簡支小箱梁的一跨，橋梁為東西走向。小箱梁頂板厚10cm，腹板厚30cm，底板厚16cm。在小箱梁橋邊梁的跨中布置了若干溫度傳感器，跨中梁底布置了振弦應變計，在梁端與支座間布置了拉繩位移計，用來實時采集監(jiān)測小箱梁橋的溫度、應力以及位移變化情況，采集頻次為10min/次。圖1顯示了溫度傳感器的埋設位置。

圖1 溫度傳感器埋置圖

3 仿真技術路線

本文采取的是順序耦合法計算橋梁的溫度效應，總體上是先在專業(yè)熱分析軟件平臺TaiTherm上進行溫度場的時程計算，再將結果導入通用有限元軟件ANSYS中進行溫度效應計算。TaiTherm可以全面模擬熱傳導、熱對流和熱輻射3種傳熱方式，考慮熱輻射的多次反射以及太陽輻射受地理位置、云層遮擋和散射等因素的影響。ANSYS在參數(shù)化建模上優(yōu)勢明顯，但其劃分的網(wǎng)格文件不能被TaiTherm讀取，故本文采用網(wǎng)格劃分通用性更強的Hypermesh來進行網(wǎng)格劃分，使之成為TaiTherm與ANSYS的文件傳輸中轉平臺。最終，TaiTherm算出的溫度場結果再回代入ANSYS中做溫度效應計算，在這個過程中，本文采用Matlab編程，將TaiTherm的結果文件轉化為ANSYS可以讀取的APDL語句。本文構建的仿真技術路線如圖2所示。圖3顯示了由Hypermesh生成并導入TaiTherm的小箱梁橋溫度場計算模型。

圖2 仿真技術路線圖

圖3 Tai Ther m中的小箱梁計算模型

4 實測與仿真結果

4.1 溫度場實測與仿真分析

在Taitherm中將圖3所示模型的地理位置、海拔高度等參數(shù)設置為武漢地區(qū)的特征值，再根據(jù)武漢地區(qū)2019年全年的氣象數(shù)據(jù)，包括太陽輻射、氣溫、風速、云量等參數(shù)的逐時記錄，構造出TaiTherm環(huán)境熱分析所必須的天氣文件，分12個月對被觀測橋梁的溫度場進行了仿真計算。因篇幅原因，本文僅展示平均氣溫最低的1月和平均氣溫最高的7月小箱梁頂板底部的仿真和實測結果，如圖4所示。

圖4 小箱梁橋頂板TS-01處溫度仿真計算與實測結果對比

需要指出的是，由于橋梁現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的故障，實測數(shù)據(jù)有少量缺失。另外，在仿真計算中，由于初始溫度取值的影響，在渡越時間內仿真結果與實測結果差別較大，但不超過2℃?？傮w上，仿真結果與實測結果吻合良好。

4.2 溫度效應實測與仿真分析

基于前文構建的多軟件仿真分析平臺，由橋址處的天氣條件對被觀測小箱梁橋的梁端縱向位移與跨中梁底正應力進行了預測。此處依然僅展示1月和7月的計算與觀測結果，預測值與實測值的對比如圖5和圖6所示。從圖5可以看出，小箱梁梁端縱向位移預測值與實測值吻合情況較好。進一步采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計軟件SPSS對預測和實測2列數(shù)據(jù)進行線性回歸分析，發(fā)現(xiàn)二者全年的斯皮爾曼相關系數(shù)接近0.9，顯著性水平P值小于0.01，說明2組數(shù)據(jù)具有強相關性。從圖6可以看出，小箱梁跨中截面梁底正應力的預測值與實測值的變化趨勢相同，但具體數(shù)值相差較大。分析表明，跨中截面梁底正應力的預測值與實測值的斯皮爾曼相關系數(shù)約為0.7。究其原因，主要是跨中截面梁底正應力中含有汽車荷載及其沖擊效應。在很多文獻中，溫度效應被視為噪聲來濾除，而本文研究的是溫度效應，汽車荷載效應則是干擾因素。

圖5 小箱梁梁端縱向位移預測值與實測值對比

圖6 小箱梁跨中截面梁底正應力預測值與實測值對比

5 小箱梁的豎向梯度溫度模式

在實測和仿真計算的基礎上，本文構造出了符合武漢地區(qū)氣候條件的混凝土小箱梁的最不利豎向溫度梯度模式（見圖7）。該模式在梁頂采用的是指數(shù)函數(shù)進行擬合的，梯度溫度代表值略小于JTG D60—2015《公路橋涵通用設計規(guī)范》中的規(guī)定值[5]。但是，該規(guī)范沒有考慮豎向溫度梯度模式在梁底的一段反折，這必將對溫度應力的計算值產生影響，而且是偏于不安全的，應引起設計人員的重視。

圖7 混凝土小箱梁的最不利豎向溫度梯度模式

6 結論

本文通過對武漢市中環(huán)線上某跨混凝土小箱梁橋的溫度場和溫度效應進行了實測于仿真分析，得到了如下結論：

1）本文構建的由TaiTherm、Hypermesh、ANSYS組成的協(xié)同仿真分析平臺可以較為準確地預測小箱梁橋的溫度場和溫度效應。該方法應該可以向其他地區(qū)乃至其他橋型推廣；

2）上述預測方法在溫度場和主要受溫度場影響的監(jiān)測指標（如梁端縱向位移）的預測中效果良好；

3）符合武漢地區(qū)氣候條件的混凝土小箱梁的最不利豎向溫度梯度模式與設計規(guī)范相比有一定的差異，且偏于不安全，應引起設計人員的注意。