對單箱單室鋼—混凝土組合箱梁日照溫度場的探討

王海民

摘 要：為了研究鋼-混凝土組合箱梁日照溫度場的特點及對結(jié)構(gòu)的作用，通過分析研究了該截面型式箱梁的日照溫度場分布特點和溫度應(yīng)力時程變化情況，給出了日照溫差簡化模式，對提出的模型與現(xiàn)存的溫差模式進行對比。結(jié)果表明：現(xiàn)存的日照溫差模式較小，有必要針對鋼-混凝土組合截面的日照溫度場進行深入研究，得出更合理的日照溫差模式。

關(guān)鍵詞：橋梁工程；鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)；太陽輻射；溫度場；溫度應(yīng)力

鋼-混凝土組合截面的溫度場特點在現(xiàn)存橋梁設(shè)計規(guī)范中雖然有規(guī)定，但是通過多年實踐分析研究，還是有一定問題，還需要進一步完善和規(guī)范。

文章通過對太陽輻射、鋼-混凝土組合箱梁的箱內(nèi)外溫度和大氣對流特點，進行熱分析，建立單箱單室鋼-混凝土組合箱梁日照溫度場的計算模型，通過計算分析研究了該截面型式箱梁的日照溫度場分布特點和溫度應(yīng)力時程變化情況，給出了日照溫差簡化模式，并對現(xiàn)存溫差模式對比。

1 太陽輻射的特點

日照溫差的主要原因是太陽輻射，是指垂直于太陽直射光線的單位面積在單位時間內(nèi)吸收投射在它上面的太陽輻射后所獲得的熱量，它表示太陽輻射能量的大小。太陽輻射經(jīng)過大氣削弱之后到達地面的太陽直接輻射和散射輻射之和稱為太陽總輻射。影響太陽輻射強度最重要的因素是日地距離、太陽高度角和大氣渾濁度。太陽高度角越小，大氣越渾濁，大氣吸收的熱量越大，到達橋面的太陽輻射強度則越小。

2 影響日照溫差的原因

2.1 太陽輻射

我國幅員遼闊，各地區(qū)緯度差別大，因此太陽的高度在不同地區(qū)隨時間月份變化情況也不一樣，如圖1所示?？拷嗟捞幍途暥鹊貐^(qū)太陽高度角在3、9月份最大，其它緯度地區(qū)在夏天時太陽高度角最大，而且緯度越大，高度角越小。

圖1 正午太陽高度角的月變化曲線

地面對太陽的輻射，絕大部分被吸收掉，剩余的少部分以漫反射的形式向四周反射，計算時僅對橋面板外側(cè)懸挑、外側(cè)腹板和底板考慮太陽輻射的反射能量，地面平均反射率為0.2。

2.2 大氣溫度

橋梁結(jié)構(gòu)表面與大氣之間進行著對流和輻射換熱，在同一風(fēng)速下，大氣溫度越低，其結(jié)構(gòu)表面散失的熱量越多。一天的氣溫變化規(guī)律，一般都差不多，除非哪天天氣有特殊的變化。

橋下的空氣流動性小，比遮蔭氣溫要略低，而在夜間兩者可達到一致的最低氣溫，因此橋下氣溫仍按圖2進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，只是最高氣溫有所降低，在夏季比氣象臺最高遮蔭氣溫低1～2℃。

圖2 夏季日氣溫標(biāo)準(zhǔn)化曲線

2.3 箱內(nèi)溫度

由于空氣導(dǎo)熱系數(shù)極小，箱內(nèi)空氣與鋼箱和混凝土之間主要通過對流換熱。箱內(nèi)空氣處于密閉狀態(tài)，氣體流動性取決于箱壁的形狀和溫度分布情況，如果上冷下熱，則下層氣體吸收熱量后溫度升高，密度變輕從而帶動能量向上層浮動，流動性好，對流換熱現(xiàn)象相對較好，反之則差。在對結(jié)構(gòu)進行復(fù)雜的熱分析的同時，再考慮箱內(nèi)氣體的流體力學(xué)分析，存在邊界處理和不同物理場耦合的問題。

2.4 空氣對流換熱

風(fēng)速越大，則結(jié)構(gòu)表面與空氣之間的對流換熱越劇烈，則結(jié)構(gòu)溫度場的正溫差越小。任意時刻空氣與結(jié)構(gòu)上表面的對流換熱系數(shù)有計算公式。

3 溫度場計算分析規(guī)律

3.1 下緣最大拉應(yīng)力隨時間增長而增加，上緣最大壓應(yīng)力隨時間增長減小，三天后基本趨于穩(wěn)定；原于上緣溫度應(yīng)力以自應(yīng)力為主要組成部分，五天中各天中出現(xiàn)的最大溫度應(yīng)力差異比較??；而下緣溫度應(yīng)力以次應(yīng)力為主，因此各天所出現(xiàn)的最大拉應(yīng)力有所差異，隨著次應(yīng)力作用的穩(wěn)定周期性變化，下緣溫度應(yīng)力也呈穩(wěn)定周期性變化。

3.2 一天中，截面次應(yīng)力在16：50左右達到最大，與最大出現(xiàn)時刻相一致。

3.3 上緣壓應(yīng)力在13點多一點時達到最大；下緣拉應(yīng)力在下午五點半左右達到最大，上緣最大壓應(yīng)力與下緣最大拉應(yīng)力不是同時刻發(fā)生。

3.4 上緣自應(yīng)力波動幅度大，而下緣比較平緩，這是因為上緣溫度變化幅度比較大，而下緣溫度變化平緩的主要原因。

3.5 下緣最大拉應(yīng)力達到最大時，比峰值小于0.7%；表面溫度達到最大時，比下緣最大拉應(yīng)力小于14%。因此下緣最大溫度應(yīng)力不能以上緣達到最高表面溫度為判定條件。

4 最不利日照溫度場

通過以上分析，上緣和下緣最大溫度應(yīng)力出現(xiàn)的時間不同步，計算溫度場存在差異，上緣可以表面一天中出現(xiàn)最大溫度時的溫度場作為最不利溫度場，下緣可以值達到最大時刻的溫度場作為最不利溫度場。為便于工程技術(shù)人員使用，提出簡化溫度場模式，具體思路如下：

（1）以值達到最不利的溫度場為依據(jù)，此時鋼箱溫度分布非常均勻，將混凝土橋面板內(nèi)的溫度分布按線性化進行改造。（2）改造后的溫度在橋面板內(nèi)面積積分不變，以及溫度積分重心點不變，以保持改造前后溫度場對結(jié)構(gòu)的作用不變，提供三個溫度值為：上表面所能達到的最大溫度、改造后的橋面板上和下緣溫度，橋面板內(nèi)部溫度按線性分布，這樣可以保證截面下緣溫度應(yīng)力能達到或接近各自的最大值。（3）上緣混凝土壓應(yīng)力在改造后溫度場計算結(jié)果基礎(chǔ)上進行修正。（4）將溫度值整體計算，則化成截面溫差形式，相應(yīng)的形成上表面所能達到的最大溫度、改造后的橋面板上和下緣溫度，修正上緣混凝土壓應(yīng)力值。

以該簡化溫度場數(shù)值重新進行溫度應(yīng)力計算，求得中跨跨中下、上緣最大溫度應(yīng)力，與各自的理論最大值很接近。下緣溫度應(yīng)力略大，是因為實際鋼箱上部溫度比中、下部略大，簡化計算時鋼箱溫度按中、下部取值，因此溫差比實際的要略大些。

對于三跨等截面連續(xù)梁，汽車設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)公路II級，車道及偏載系數(shù)按2.3考慮，溫度荷載考慮兩種模式。

5 結(jié)束語

5.1 文章所提出的箱室內(nèi)空氣對流換熱模式可作為截面溫度場計算的參考。

5.2 在夏季連續(xù)多天晴朗、微風(fēng)條件下，結(jié)構(gòu)日照溫差最為不利，溫度次內(nèi)力最大作用時刻在16：56左右。

5.3 對于鋼混組合箱梁，上緣最大壓應(yīng)力與下緣最大拉應(yīng)力出現(xiàn)時刻不同步，下緣最大溫度應(yīng)力不能以上緣達到最高表面溫度為判定條件。

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