大型鋼管混凝土拱橋溫度梯度試驗研究

周大為，鄧年春, 2，石拓，李顥旭

大型鋼管混凝土拱橋溫度梯度試驗研究

周大為1，鄧年春1, 2，石拓1，李顥旭1

(1. 廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2. 廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點實驗室，廣西 南寧 530004)

以川藏鐵路拉林段藏木雅魯藏布江特大橋為背景，在橋址進行與實橋同管徑的大尺寸試驗拱段長期連續(xù)溫度場監(jiān)測試驗，并在整理分析前人大量研究成果的基礎(chǔ)上對青藏高原地區(qū)鋼管混凝土拱橋溫度梯度模式進行研究。研究結(jié)果表明：圓鋼管截面沿直徑方向溫度隨時間變化表現(xiàn)出較高的規(guī)律性，具有明顯的周期性時程特征及不均勻空間特征；鋼管混凝土溫度梯度模式均可按規(guī)范規(guī)定擬合為三段式折線圖；《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計規(guī)范》中對鋼管混凝土拱橋溫度梯度模式的規(guī)定較試驗所得溫度梯度差別較大；在上述研究結(jié)果的基礎(chǔ)上提出“參考溫度梯度”概念并提出適合青藏高原地區(qū)的鋼管混凝土拱橋圓截面不同管徑的豎向溫度梯度計算公式。

高原地區(qū)；鋼管混凝土拱橋；鋼管混凝土；溫度場；溫度梯度；參考溫度梯度

鋼管混凝土拱橋因其優(yōu)異的結(jié)構(gòu)性能在我國得到迅速發(fā)展，隨著建設(shè)需要，其跨徑不斷得到突破[1]。據(jù)統(tǒng)計，截止2015年，國內(nèi)已建成鋼管混凝土拱橋400多座，其中54座跨徑超過200 m，11座跨徑超過300 m，4座跨徑超過400 m[2?3]，合江一橋的建成標(biāo)志著鋼管混凝土拱橋突破500 m跨徑關(guān)口，目前在建的世界最大拱橋平南三橋跨徑達(dá)560 m，在建的最大跨鋼管混凝土鐵路橋拉林鐵路雅魯藏布江大橋跨徑達(dá)430 m。鋼管混凝土拱橋常年暴露于自然環(huán)境之中，不可避免受到外界環(huán)境的影響產(chǎn)生溫度場，當(dāng)變形受到結(jié)構(gòu)內(nèi)、外約束時就會產(chǎn)生應(yīng)力，必然會對橋梁結(jié)構(gòu)造成一些不利影響。橋梁溫度場有著典型的周期性時程特征和不均勻空間特征，主要受結(jié)構(gòu)形式、氣候和地理環(huán)境 3 類因素的影響，存在明顯的橋型間和地域性差異[4]。在太陽輻射強度較為強烈的地區(qū)，由太陽輻射引起的橋梁溫度效應(yīng)甚至可超過恒載和活載的影響，成為橋梁首要控制作用，對橋梁耐久性及長期安全工作造成很大影響[5?6]。關(guān)于鋼管混凝土拱橋的溫度問題已經(jīng)得到了很多研究人員的重視并已開展了一系列相關(guān)研究，但是由于鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)形式，拱肋截面形式多樣，橋址自然環(huán)境差異大等多重影響因素，使得針對其研究尚不成熟[7]，多只針對某一具體情況分析，難以進行大范圍推廣。本文針對青藏高原地區(qū)鋼管混凝土拱橋由于日照引起的截面非線性溫度分布進行研究，以拉林鐵路雅魯藏布江大橋為研究對象，在進行橋址進行大型溫度監(jiān)測試驗的基礎(chǔ)上結(jié)合前人研究成果，了解鋼管混凝土截面溫度梯度規(guī)律，最后提出適合青藏高原地區(qū)不同管徑的圓截面溫度梯度模式。

1 研究對象

1.1 工程概況

川藏鐵路拉林線雅魯藏布江大橋位于西藏山南地區(qū)拉綏鄉(xiāng)雅魯藏布江河畔，在規(guī)劃的梯級電站街需和藏木之間，距在建的藏木水電站大壩上游約1.2 km。橋址位于新建山南至林芝省道(S306)邊上，新省道目前未通車，距老省道約7 km，距加查縣城約17 km，距拉薩約325 km，對外交通方便。川藏鐵路拉林段藏木雅魯藏布江特大橋采用一跨過江方案，主跨為430 m的中承式鋼管混凝土拱橋，全橋主梁為一聯(lián)5跨的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，孔跨布置為(39.6+32) m連續(xù)梁+430 m中承式鋼管混凝土拱橋+(28+34.6) m’連續(xù)梁，橋梁總長525.5 m。橋梁立面圖見圖1。其拱肋截面采用四肢桁式和橫向啞鈴桁式相結(jié)合的截面形式。上弦拱腳1.5節(jié)段和下弦拱腳3.5節(jié)段采用直徑1 800 mm鋼管，其余拱肋節(jié)段采用直徑1 600 mm鋼管。拱肋鋼管均采用Q420qENH，管內(nèi)灌注C60無收縮混凝土，腹桿和橫撐以及上下平聯(lián)均采用Q345qDNH，吊桿采用抗拉強度為1 860 MPa的鋼絞線制成，主梁連續(xù)梁梁部采用C55預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土，邊墩采用C40鋼筋混凝土。

單位：m

1.2 試驗概況

為確定鋼管混凝土拱橋在外界自然條件下的內(nèi)部溫度分布情況及規(guī)律，為在青藏高原地區(qū)設(shè)計此類橋梁提供準(zhǔn)確的溫度效應(yīng)計算參數(shù)，對拉林鐵路雅魯藏布江大橋進行足尺寸試驗拱溫度試驗。試驗選址于西藏山南地區(qū)雅魯藏布江邊，靠近拉林鐵路雅魯藏布江大橋橋址處。以實橋拱頂至拱腳75 m節(jié)段建立試驗?zāi)Ｐ?，試驗現(xiàn)場見圖2。試驗拱由與雅魯藏布江大橋相同管徑1 600 mm，壁厚20 mm的鋼管制作而成。試驗拱由5組中間設(shè)置了橫撐的立柱進行支撐。以靠近拱頂位置作為試驗測試截面，其中溫度傳感器采用熱敏電阻式溫度傳感器，采集精度達(dá)到0.1 ℃。采集儀器選用基康無線溫度采集系統(tǒng)。采集頻率設(shè)置為10 min/次，測點布置見圖3。

圖2 試驗現(xiàn)場圖

圖3 測點布置圖

2 試驗結(jié)果分析

2.1 截面溫度隨時間變化規(guī)律分析

由圖4可知，管內(nèi)沿縱橫向共布置13個測點以研究管內(nèi)混凝土在一天之中不同時刻不同位置的溫度分布及變化情況，并設(shè)置14號大氣溫度測點同時監(jiān)測大氣溫度情況。縱向8，9，10和4號測點，橫向7，6，5，4號及14號大氣溫度測點2018年8月1日至8月16日連續(xù)多天溫度變化情況見圖4。

從圖中可以看到，管內(nèi)混凝土各測點溫度在空間上沿徑向呈現(xiàn)非線性分布，時間上是瞬時變化的，在考慮日照情況的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)截面溫度分布呈瞬時非線性特點。管內(nèi)混凝土各測點溫度及大氣溫度變化呈現(xiàn)以24 h為周期的周期性變化規(guī)律，其中靠近外側(cè)測點，溫度變化周期接近大氣溫度變化，且峰值變化較大；越向內(nèi)，同一天各測點溫度峰值右移，越靠近內(nèi)部右移越明顯，內(nèi)部混凝土溫度變化在時間上表現(xiàn)出很高的遲滯性，且越靠近混凝土內(nèi)部溫度峰值變化越小。

(a) 豎向；(b) 橫向

(a) 豎向；(b) 橫向

圖5為8月1日上午11時至8月3日下午11時豎向及橫向部分測點溫度變化情況。從圖中可以看到，白天各測點溫度表現(xiàn)出內(nèi)低外高的分布狀態(tài)，夜間呈現(xiàn)內(nèi)高外低的分布狀態(tài)。9號測點與10號測點及4號測點與5號測點的溫度在一天中截面溫差極值時刻基本相等，此時刻10號測點與核心4號測點溫差不到1 ℃。該現(xiàn)象表明截面非線性溫度分布變化在8號至9號及7號至6號測點之間較為劇烈，在靠近核心處混凝土溫度變化幅度較小。主要原因是由于混凝土的導(dǎo)熱性能較差使得內(nèi)部混凝土溫度變化較為遲滯且受外部環(huán)境影響較小。圖5(b)表明，對稱位置測點溫度變化趨勢基本一致，出現(xiàn)溫度極值時刻也基本相同；由于鋼材導(dǎo)熱性能較好，使得測點溫度變化幅值在向陽面及背陰面均表現(xiàn)為外側(cè)大于內(nèi)側(cè)，向陽及背陰面溫度沿徑向變化趨勢相近，表現(xiàn)為越向內(nèi)溫度變化約遲滯；對稱位置測點，向陽面溫度大于背陰面溫度，平均約大0.5 ℃，主要有2方面原因：一方面是由于日照作用的影響，另一方面是由于核心混凝土導(dǎo)熱系數(shù)較差，溫度變化較為滯后。

2.2 截面最不利溫度分布

經(jīng)過近一年的數(shù)據(jù)采集獲得大量的溫度數(shù)據(jù)。通過歷史天氣分析得知，橋址加查縣一年中冬季最冷發(fā)生在1月份，夏季最熱發(fā)生在8月份。為分析截面最不利溫差，選取1月和8月中數(shù)據(jù)較好的幾天進行分析，具體日期選取及當(dāng)日天氣情況見表1。通過對溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析得知，試驗拱鋼管混凝土截面夏季最不利溫差一般出現(xiàn)在一天中的下午16～17時，冬季截面最不利溫差一般出現(xiàn)在下午15～16時。其中夏季和冬季典型日期中最不利溫度分布見圖6。圖6中縱坐標(biāo)表示各測點沿直徑方向的位置，其中縱向溫度分布中“0”表示拱肋截面下緣，“D”表示拱肋截面最上緣；橫坐標(biāo)表示沿徑向不同測點相應(yīng)的溫度數(shù)值。

表1 典型日期天氣情況

(a) 夏季豎向溫度分布；(b) 冬季豎向溫度分布

從圖中可以看到，溫度沿縱向最不利溫度分布大致呈現(xiàn)出3段折線式分布模式和規(guī)范規(guī)定溫度梯度模式相同。由截面邊緣?核心混凝土?截面邊緣包括降溫段、平緩段和升溫段，其中1主要影響深度=2主要影響深度=0.25 m小于規(guī)范/4=0.4 m。從上述數(shù)據(jù)中按照不同季節(jié)為參考分別提取冬季和夏季沿豎向直徑最不利溫度分布，見圖7。由于青藏高原地區(qū)空氣稀薄橋址處山南地區(qū)海拔達(dá)3 700 m，太陽輻射較其他地區(qū)尤為強烈，且截面溫度分布受日照與氣溫影響顯著。全年中，由于日地距離及太陽入射角變化，使得夏季太陽輻射在全年中最為強烈，冬季晝夜溫差較夏季大約5 ℃。當(dāng)夏季鋼管混凝土拱肋受日照作用時，截面上緣受太陽輻射影響最為顯著，由于混凝土材料導(dǎo)熱性能較差，實驗結(jié)果表明，截面最大溫差即截面最不利溫度分布發(fā)生在全年太陽輻射最為強烈的夏季，按規(guī)范采用3段式擬合，其溫度梯度沿縱向分布情況見圖8和表2。其中夏季溫差極值1達(dá)16 ℃，2達(dá)10 ℃，大于規(guī)范規(guī)定的1=12 ℃，2=6 ℃。橋址處夏季太陽輻射較冬季強烈，冬季日溫差較夏季大，由圖7可知，截面溫度分布中日照影響更為顯著。

圖7 不同季節(jié)溫度梯度

圖8 溫度梯度模式(3段折線式)

表2 試驗拱溫度梯度參數(shù)(D=1.6 m)

3 青藏高原地區(qū)溫度梯度分析

關(guān)于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)考慮日照影響的截面非線性溫度分布問題已經(jīng)得到了很多研究人員的重視，并已開展了一系列相關(guān)研究。主要從構(gòu)件試驗，實橋分析和有限元數(shù)值模擬計算分析3方面進行分析研究，以此探討鋼管混凝土拱橋在日照作用下截面非線性溫度分布規(guī)律。

范丙臣等[8?13]進行了鋼管混凝土構(gòu)件日照溫度長期觀測試驗，通過試驗獲得的大量數(shù)據(jù)分析了在日照作用下鋼管混凝土截面上不同位置的溫度分布及變化規(guī)律；陳可[14]依托金馬河大橋進行了實橋拱肋截面溫度場測試，獲得了寶貴的實橋環(huán)境下拱肋截面的溫度分布情況，并按實測溫度數(shù)值計算出適合該橋的沿豎向直徑溫度梯度分布模式；彭友松等[15?17]對考慮日照的鋼管混凝土截面溫度場的有限元模擬的模型建立及邊界條件的施加和各參數(shù)選取進行了研究，通過和實測數(shù)據(jù)對比分析，驗證了有限元軟件對日照作用下鋼管混凝土截面溫度分布模擬的可行性。通過對上述研究所得大量研究成果的統(tǒng)計分析，1，2影響深度大致分布于0.2~0.275 m之間，影響深度的取值由于測點布置的問題存在些許差異，本試驗計算所得0.25 m同樣符合這一區(qū)間，見表3。

參考《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計規(guī)范》[18]中規(guī)定1，2影響深度相等，可認(rèn)為在截面溫度梯度取值中，1，2影響深度取0.25 m是合適的，此結(jié)論與規(guī)范所規(guī)定取/4有所差異。汪鶴根據(jù)茅草街大橋?qū)崢颦h(huán)境對其鋼管混凝土拱肋考慮日照溫度作用的截面溫度場進行有限元分析計算，并對鋼管混凝土拱橋參數(shù)敏感性進行了分析。在針對鋼管混凝土拱橋日照溫度荷載參數(shù)敏感性分析中，分別取管徑為1.0，1.2和1.4 m的鋼管混凝土模型進行日照溫度場分析[17]。相同日照及其他外部環(huán)境下，鋼管管徑與截面最大溫差1呈正相關(guān)，2受管徑影響較小，其中管徑每升高0.2 m，溫差1約升高1 ℃[9, 16?17]。

本文提出“參考溫度梯度”這一概念，即在分析某一地區(qū)不同管徑的鋼管混凝土溫度梯度時，可以以該地區(qū)已通過實測或計算所得某管徑鋼管混凝土溫度梯度為參考，依據(jù)管徑每變化0.2 m溫差1約變化1 ℃，且1，2主要影響深度取0.25 m，進行不同管徑圓截面鋼管混凝土溫度梯度的計算。

表3 日照溫度分布實驗整理

西藏主要劃分為拉薩地區(qū)、昌都地區(qū)、山南地區(qū)(橋址)、日喀則地區(qū)、那曲地區(qū)、阿里地區(qū)以及林芝地區(qū)，經(jīng)查詢各地區(qū)多年各月份天氣情況并對比分析，各地區(qū)各月份溫度差異較小。其中山南地區(qū)海拔約3 700 m，空氣稀薄，太陽輻射較其他強烈，故認(rèn)為以山南地區(qū)可以大體反映青藏高原地區(qū)的鋼管混凝土拱橋拱肋截面不利溫差分布情況。

綜上，以試驗拱與其對應(yīng)1.6 m管徑所得溫度梯度為青藏高原地區(qū)“參考溫度梯度”并結(jié)合規(guī) 范[18]，得到該地區(qū)溫度梯度計算模型，見圖9和 表4。

圖9 溫度梯度模式(3段折線式)

表4 溫度梯度計算參數(shù)

4 結(jié)論

1) 在日照作用下管內(nèi)混凝土溫度分布表現(xiàn)出明顯的周期性時程特征及不均勻空間特征，各測點溫度在以天為時間尺度上表現(xiàn)出接近正弦曲線的周期性分布特性。

2) 通過對溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析得知，試驗拱鋼管混凝土截面夏季最不利溫差一般出現(xiàn)在一天中的16～17時，冬季截面最不利溫差一般出現(xiàn)在15～16時，較中東部沿海地區(qū)相關(guān)橋梁研究結(jié)果晚約 2 h。

3) 試驗結(jié)果表明，在西藏地區(qū)，鋼管混凝土拱橋截面溫度梯度可采用規(guī)范中所采用3段式折線進行表述。其1，2影響深度約為0.25 m，較按規(guī)范計算值0.4 m小，夏季最不利溫差1達(dá)16 ℃，較規(guī)范值12 ℃大，2亦如此。相較于氣溫對截面溫度分布的影響，太陽輻射對其影響更為顯著。

4) 根據(jù)試驗結(jié)果并結(jié)合前人研究成果提出“參考溫度梯度”概念，可界定青藏高原地區(qū)1和2影響深度取0.25 m作為參數(shù)進行分析計算；管徑每變化0.2 m溫差極值1變化約1 ℃。以拉林藏木河大橋足尺寸試驗拱試驗成果所得溫度梯度為青藏高原地區(qū)“參考溫度梯度”得到適合青藏高原地區(qū)的鋼管混凝土拱橋溫度梯度計算公式。

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A large-scale experimental study on temperature gradient of concrete-filled steel tube arch bridge

ZHOU Dawei1, DENG Nianchun1, 2, SHI Tuo1, LI Haoxu1

(1. College of Civil Engineering and Architecture, Guangxi University, Nanning 530004, China;2. Guangxi Key Laboratory of Disaster Prevention and Structural Safety, Nanning 530004, China)

The temperature gradient model of concrete-filled steel tube arch bridge in Qinghai-Tibet Plateau was studied based on the long-term and continuous temperature field monitoring test of the large-scale experimental arch section with the same pipe diameter as the actual bridge site and the analysis of a large number of previous research results. The Zangmu Yarlung Zangbo River Bridge in the Lalin Section of the Sichuan-Tibet Railway was selected as the engineering background. The results show that the temperature of steel tube section along the direction of diameter changes with time and has the characteristics of periodic time history and inhomogeneous space. The temperature gradient model of concrete-filled steel tube can be fitted as a three-section line graph according to the specification. Regulations for temperature gradient mode of concrete-filled steel tube arch bridge in “Code for Design of Highway Concrete-filled Steel Tube Arch Bridge” is quite different from that obtained from the experiment. On the basis of the above research results, the concept of “reference temperature gradient” was proposed and the formula for calculating the vertical temperature gradient of different pipe diameters of circular section of concrete-filled steel tube arch bridge suitable for the Qinghai-Tibet plateau was proposed.

the plateau region; concrete-filled steel tube arch bridge; concrete filled steel tube; temperature field; temperature gradient; reference temperature gradient

U44

A

1672 ? 7029(2020)08 ? 2013 ? 08

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190888

2019?10?11

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃項目(2017G006-B)；國家自然科學(xué)基金資助項目(51868006)；廣西自然科學(xué)基金聯(lián)合資助培育項目(2018GXNSFAA138067)；廣西科技計劃項目(桂科AB17292018)；廣西高等學(xué)校高水平創(chuàng)新團隊及卓越學(xué)者計劃項目(桂教人〔2018〕35號)

鄧年春(1975?)，男，湖南永州人，教授，從事大跨度拱橋與懸索橋設(shè)計與施工成套技術(shù)研究；E?mail：dengnch@gxu.edu.cn

(編輯 涂鵬)