珠江黃埔大橋鋼箱梁溫度長期監(jiān)測與分析

丁幼亮 王曉晶 王高新 郭毅霖 閆 昕 孫 鵬 李愛群 李萬恒

(1東南大學(xué)混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點實驗室，南京210096)

(2交通運輸部公路科學(xué)研究院，北京100088)

大跨橋梁結(jié)構(gòu)由于受到四季交替的日照作用會出現(xiàn)較大的變形、溫度自應(yīng)力以及附加應(yīng)力［1-2］.因此，溫度作用是影響大跨橋梁全壽命性能的重要因素之一.自20世紀(jì)60年代以來，各國橋梁工作者對混凝土箱梁結(jié)構(gòu)在太陽輻射作用下的溫度分布、影響因素及分析方法做了大量的研究工作.例如，Mirambell等［3］利用熱傳導(dǎo)方程推導(dǎo)了混凝土箱梁的豎向溫度場分布;葉見曙等［4-6］對混凝土箱梁橋進(jìn)行了大量實測，采用統(tǒng)計分析方法計算了預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁豎向正溫差和負(fù)溫差的概率分布函數(shù)及其標(biāo)準(zhǔn)值;Li等［7］通過對預(yù)應(yīng)力混凝土深梁橫截面溫度場的現(xiàn)場實測與分析，提出了適用于結(jié)構(gòu)設(shè)計的溫度分布模型，并與加拿大橋梁設(shè)計規(guī)范進(jìn)行了對比;孫國晨等［8］對哈爾濱四方臺大橋的鋼-混凝土疊合梁主梁腹板在日照作用下的豎向溫度場分布進(jìn)行了理論分析，并通過仿真計算驗證了此計算方法的合理性;方志等［9］對一特大型預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋進(jìn)行了連續(xù)的溫差效應(yīng)觀測，提出了一種適合于中國中部地區(qū)的同時考慮箱梁豎向和橫向溫差的溫度梯度模式.然而，已有研究工作主要針對混凝土箱梁在太陽輻射作用下的溫度統(tǒng)計特性，對于扁平鋼箱梁溫度場監(jiān)測與分析研究工作則少有報道.孫君等［10］基于潤揚大橋懸索橋和斜拉橋鋼箱梁的溫度觀測結(jié)果，定性分析了扁平鋼箱梁在日照作用下的溫度分布特征.因此，目前對用于扁平鋼箱梁溫度作用計算的溫度和溫差取值缺乏實測依據(jù)，有必要定量研究扁平鋼箱梁結(jié)構(gòu)的溫度和溫差統(tǒng)計分布特性，并提出適合結(jié)構(gòu)設(shè)計的溫度和溫差標(biāo)準(zhǔn)值.

本文以珠江黃埔大橋北汊斜拉橋和南汊懸索橋為研究對象，對安裝于橋上的健康監(jiān)測系統(tǒng)獲取的為期一年的鋼箱梁溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采用統(tǒng)計學(xué)方法建立鋼箱梁頂板和底板溫度以及頂板和底板豎向溫差的概率分布模型，得到了具有一定重現(xiàn)期的鋼箱梁溫度和豎向溫差標(biāo)準(zhǔn)值.研究成果可為深入研究珠江黃埔大橋斜拉橋和懸索橋的溫度效應(yīng)提供依據(jù)，并可為我國溫?zé)岬貐^(qū)的大跨鋼箱梁橋全壽命設(shè)計提供參考.

1 珠江黃埔大橋扁平鋼箱梁的觀測斷面及測點布置

珠江黃埔大橋位于廣州東南部，由北引橋、北汊主橋、中引橋、南汊主橋、南引橋5部分組成.其中，北汊主橋為主跨383 m的獨塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，南汊主橋為主跨1 108 m的單跨鋼箱梁懸索橋，主梁均為扁平流線形鋼箱梁.北汊斜拉橋鋼箱梁全寬41 m，梁高3.5 m;南汊懸索橋鋼箱梁全寬41.69 m，梁高3.5 m.為研究珠江黃埔大橋鋼箱梁的溫度分布特性，本文采用南北汊主橋的跨中位置溫度傳感器的長期監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析，圖1給出了斜拉橋和懸索橋鋼箱梁橫截面的溫度傳感器布置圖.

圖1 鋼箱梁橫截面溫度傳感器布置圖

2 鋼箱梁溫度監(jiān)測結(jié)果與分析

2.1 溫度極值特征

選取珠江黃埔大橋2010-09—2011-08一年的溫度實測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.圖2給出了斜拉橋和懸索橋鋼箱梁測點溫度TC1和TS1的年實測曲線.首先對南北汊主橋溫度傳感器的溫度樣本進(jìn)行極值分析.表1給出了斜拉橋和懸索橋鋼箱梁測點溫度最大值和最小值.由表1可以看出:①南北汊主橋鋼箱梁溫度冬季較低、夏季較高，年溫度變化具有明顯的季節(jié)特征;②南北汊主橋鋼箱梁頂板溫度最大值比底板溫度最大值高8℃左右，頂板溫度最小值則與底板溫度最小值相接近，可見鋼箱梁存在較大的豎向正溫差;③南北汊主橋鋼箱梁頂板、底板對稱測點的溫度極值相接近，鋼箱梁橫截面溫度分布關(guān)于中軸基本對稱.

圖2 南北汊主橋鋼箱梁溫度的年實測曲線

表1 南北汊主橋鋼箱梁溫度極值 ℃

2.2 溫度概率統(tǒng)計特征

分別對珠江黃埔大橋南北汊主橋鋼箱梁測點C1～C4，S1～S4的溫度樣本 TC1～TC4，TS1～TS4進(jìn)行統(tǒng)計分析.通過對多個概率分布模型的擬合優(yōu)度比較，最終選用2個正態(tài)分布的加權(quán)和來描述鋼箱梁溫度的概率統(tǒng)計特性，其概率密度函數(shù)表達(dá)式為

式中，fN(T，μi，σi)為變量為 T、均值為 μi、標(biāo)準(zhǔn)差為σi的正態(tài)分布函數(shù);vi為第i個正態(tài)分布函數(shù)的權(quán)重;μi，σi和 vi(i=1，2，…，n)為待估計參數(shù)，本文取n=2.

圖3給出了懸索橋和斜拉橋溫度樣本TC1，TC3，TS1，TS3的概率密度柱狀圖及估計曲線.可以看出，估計的概率密度函數(shù)能夠準(zhǔn)確反映溫度樣本的概率統(tǒng)計特性.珠江黃埔大橋北汊主橋TC1～TC4與南汊主橋TS1～TS4的概率密度曲線參數(shù)估計值如表2所示.

圖3 南北汊主橋溫度的概率密度柱狀圖及估計曲線

2.3 溫度標(biāo)準(zhǔn)值

我國《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60—2004)規(guī)定溫度(均勻溫度和梯度溫度)作用屬于可變作用［11］.可變作用的代表值分為標(biāo)準(zhǔn)值、頻遇值或準(zhǔn)永久值，但《公路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50283—1999)僅規(guī)定了可變作用的頻遇值和準(zhǔn)永久值的取值方法，未說明標(biāo)準(zhǔn)值的計算方法，故本文溫度標(biāo)準(zhǔn)值參照歐洲結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ的規(guī)定，即溫度作用的標(biāo)準(zhǔn)值是具有50年重現(xiàn)期的特征值［12］.按照我國橋梁規(guī)范規(guī)定的設(shè)計基準(zhǔn)期100年計算，設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)最大溫度作用超過特征值次數(shù)的數(shù)學(xué)期望為2次.據(jù)此利用表2估計的溫度概率密度函數(shù)可以分別計算出測點溫度標(biāo)準(zhǔn)值(TC1，k～ TC4，k，TS1，k～ TS4，k)的最大值和最小值，如表3所示.可以看出，南北汊主橋鋼箱梁頂板溫度標(biāo)準(zhǔn)值最大值為64.0℃，最小值為 －14.0℃，底板溫度標(biāo)準(zhǔn)值最大值為58.3℃，最小值為－9.4℃，并且頂板溫度標(biāo)準(zhǔn)值比底板溫度標(biāo)準(zhǔn)值高6℃左右，說明鋼箱梁存在較大的豎向正溫差，有必要進(jìn)一步研究鋼箱梁豎向正溫差特性.

表2 鋼箱梁測點溫度概率密度曲線參數(shù)估計值

表3 南北汊主橋鋼箱梁溫度標(biāo)準(zhǔn)值 ℃

3 鋼箱梁豎向溫差監(jiān)測結(jié)果與分析

分別計算鋼箱梁頂板測點 C1，C2，S1，S2與底板測點 C3，C4，S3，S4之間的豎向溫差 TC13，TC24，TS13，TS24，并取其正溫差樣本進(jìn)行分析.圖4給出了豎向正溫差樣本T+C13，T+S13的年實測曲線.通過對多個概率分布模型的擬合優(yōu)度比較，最終選用2個Weibull分布的加權(quán)和來描述豎向正溫差樣本的概率統(tǒng)計特性，其概率密度函數(shù)表達(dá)式為

式中，fW(T，αi，βi)為變量為 T、尺度參數(shù)為 αi、形狀參數(shù)為βi的Weibull分布;vi為第i個Weibull分布的權(quán)重;αi，βi和vi為待估計參數(shù)，本文取n=2.

圖4 南北汊主橋鋼箱梁豎向正溫差的年實測曲線

圖5給出了懸索橋和斜拉橋豎向正溫差樣本的概率密度柱狀圖及估計曲線.可以看出，估計的概率密度函數(shù)能夠準(zhǔn)確反映豎向正溫差樣本的概率統(tǒng)計特性.南北汊主橋鋼箱梁豎向正溫差的概率密度曲線參數(shù)估計值如表4所示.利用表4估計的溫差概率密度函數(shù)可以計算出豎向正溫差標(biāo)準(zhǔn)值，如表5所示.

圖5 南北汊主橋豎向正溫差的概率密度柱狀圖及估計曲線

表4 鋼箱梁豎向正溫差的概率密度曲線參數(shù)估計值

表5 南北汊主橋鋼箱梁豎向正溫差標(biāo)準(zhǔn)值 ℃

4 結(jié)論

1)扁平鋼箱梁橫截面冬季溫度較低、夏季溫度較高，年溫度變化具有明顯的季節(jié)特征，且橫截面的溫度分布關(guān)于中軸基本對稱.

2)鋼箱梁頂板和底板溫度均可以通過2個正態(tài)分布函數(shù)的加權(quán)和來描述其概率分布.通過極值分析得到頂板50年一遇的溫度標(biāo)準(zhǔn)值最大值為64.0℃，最小值為－14.0℃，底板50年一遇的溫度標(biāo)準(zhǔn)值最大值為58.3℃，最小值為－9.4℃.

3)鋼箱梁頂板與底板之間的豎向溫差以正溫差為主，可以通過2個Weibull分布函數(shù)的加權(quán)和來描述其概率分布，通過極值分析得到50年一遇的豎向正溫差標(biāo)準(zhǔn)值最大值為14.2℃.

必須指出，本文的結(jié)論是針對珠江黃埔大橋鋼箱梁的溫度實測數(shù)據(jù)得出的，對于其他不同太陽輻射地區(qū)的鋼箱梁橋溫度分布特征還有待大量的現(xiàn)場實測和分析積累，也是今后努力的方向.

References)

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