干寒地區(qū)新型波形鋼腹板組合箱梁溫度效應(yīng)分析

王 力，劉世忠*，丁萬鵬，牛思勝，武維宏

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州730070；2.甘肅省交通運輸廳，甘肅蘭州730030；3.甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院股份有限公司，甘肅蘭州730030)

波形腹板-壓型鋼板混凝土組合箱梁是將壓型鋼板[1]鋪設(shè)于波形腹板鋼箱梁上，通過連接件與鋼箱梁上翼緣焊接，在壓型鋼板上現(xiàn)澆混凝土而成的新型組合結(jié)構(gòu)。該新型組合梁橋除共有普通鋼-混凝土組合梁橋特點的同時，還具備節(jié)省支拆模工序、提高施工效率、提高鋼梁穩(wěn)定性、作為施工作業(yè)平臺以方便施工及壓型鋼板作為橋面板鋼筋以減少頂板配筋等特點。波形腹板-壓型鋼板混凝土組合箱梁作為一種輕型化組合梁，有效解決了普通混凝土箱梁腹板易開裂和跨中下?lián)蟽纱蟛『Γ⒓婢吡己玫慕?jīng)濟效益。

橋梁長期暴露于自然環(huán)境中，受日照、氣溫和寒潮等因素影響，箱梁結(jié)構(gòu)溫度呈現(xiàn)非線性分布。該非線性溫度作用下橋面與內(nèi)部形成的不均勻溫度場通常會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力。日照作用下不同橋梁的溫度場也存在較大差異，現(xiàn)有對橋梁溫度效應(yīng)的研究主要聚焦于傳統(tǒng)的混凝土橋，而對組合結(jié)構(gòu)橋梁溫度作用的研究相對較少[2]。組合梁中鋼與混凝土熱傳導(dǎo)效率的顯著差異（鋼熱傳導(dǎo)系數(shù)約為混凝土的50倍）極易導(dǎo)致截面次應(yīng)力的產(chǎn)生。對波形鋼腹板組合箱梁橋的既有研究主要集中于結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)[3]、靜動力性能[4-6]、抗彎[7]、抗剪[8]及疲勞壽命[9]等方面，而對其溫度效應(yīng)方面的研究較少。國內(nèi)在鋼-混凝土組合箱梁溫度設(shè)計中主要參照《鋼-混凝土組合橋梁設(shè)計規(guī)范》（GB 50917—2013）[10]，而現(xiàn)行的各類規(guī)范中均未給出針對波形鋼腹板組合箱梁橋溫度梯度分布模式。鑒于該類新型橋梁的特點和橋梁的地域差異性，在工程應(yīng)用中不宜簡單套用規(guī)范梯度。目前，國外學(xué)者對波形鋼腹板組合梁橋的溫度效應(yīng)研究主要聚焦于火災(zāi)引起的箱梁結(jié)構(gòu)大變形[11]和屈曲行為[12]等方面，日照溫度作用下的箱梁溫度響應(yīng)分布規(guī)律方面的研究甚少。在國內(nèi)，Ma等[13]基于90 d的持續(xù)溫度觀測，擬合得到了波形鋼腹板組合箱梁橋的豎向溫度梯度模式，并與現(xiàn)有規(guī)范進行了對比；Shan[14]、徐向鋒[15]、強俊濤[16]等對波形鋼腹板組合梁橋展開現(xiàn)場溫度實測，建立了波形鋼腹板梁橋的溫度場2維溫度梯度模型；董旭等[17]基于現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)建立了波形鋼腹板箱梁豎向和橫向溫度梯度數(shù)學(xué)計算模型。上述研究主要針對傳統(tǒng)波形鋼腹板組合梁橋的溫度場分布規(guī)律和溫度效應(yīng)，對于底板采用加勁鋼板、橋面板采用壓型鋼板-混凝土組合板的新型波形鋼腹板組合箱梁橋，其熱傳導(dǎo)與傳統(tǒng)波形鋼腹板組合梁橋具有明顯差異，且在日照溫差作用下壓型鋼板對橋面板混凝土受力行為的影響尚不明確。

基于此，本文以甘肅省蘭州市新區(qū)某波形鋼腹板-壓型鋼板混凝土組合箱梁橋溫度實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析該橋的組合箱梁在日照作用下的溫度時變特性，擬合梁體2維溫度梯度函數(shù)，并通過MIDAS/FEA有限元軟件計算梁體應(yīng)力分布規(guī)律，探究壓型鋼板對箱梁溫度效應(yīng)的影響特征。所得結(jié)論可為該類新型組合箱梁的設(shè)計計算提供參考。

1 溫度場實測

1.1 橋梁概況及測點布置

干旱寒冷地區(qū)簡稱干寒地區(qū)[18-19]，其指最冷月平均氣溫為-10℃～0℃、日平均氣溫≤5℃的天數(shù)滿足90～145 d、年降水量小于500 mm的地區(qū)。本文研究的背景橋梁（圖1）位于甘肅省蘭州市，據(jù)統(tǒng)計，該地區(qū)年平均降水量為327 mm，最冷月溫度為-5.3℃，日平均氣溫≤ 5℃的天數(shù)超過100 d，屬于典型的干寒地區(qū)。橋址位于103.62°E、36.515°N，海拔高度1942.6 m，年最高、最低日平均氣溫分別為38.8℃和-20.0℃，年平均氣溫約6.9℃，1月平均氣溫為-11.6℃（全年最低），7月平均氣溫為20.5℃（全年最高）。測試時間從2018-07-06T08：00到2019-07-08T06：00，溫度測試頻率為2 h/次。

圖1 新型波形鋼腹板組合箱梁橋現(xiàn)場Fig.1 New-pattern CSW composite box girder bridge field

該橋呈東北至西南走向，上部結(jié)構(gòu)采用分離式組合箱梁，為鋼底板-波形鋼腹板-壓型鋼板混凝土組合橋面板組合截面。橋面寬度為20.0 m，下部結(jié)構(gòu)為雙柱長懸臂式橋墩，橋面鋪裝采用10 cm厚瀝青混凝土。選取簡支梁1/4跨附近2個截面作為溫度觀測截面（圖2），每個截面設(shè)124個測點，沿橋軸線呈對稱布置。單個箱室測點布置如圖3所示。

圖2 梁截面示意圖Fig.2 Schematic diagram of beam section

圖3 箱室溫度測點布置圖Fig.3 Layout of temperature measuring points in box

1.2 測試方法與設(shè)備

混凝土表面、波形腹板和鋼底板的溫度分布，采用DHFDE6830B測溫儀進行溫度采集，頂板混凝土內(nèi)部采用埋置JMT-36C溫度傳感器采集，環(huán)境溫度采用LCD-DTM280溫度計采集。

2 溫度場測試結(jié)果

年溫變化作用引起的結(jié)構(gòu)溫度變化，主要影響橋梁結(jié)構(gòu)的整體均勻溫度，設(shè)計計算中通常按均勻溫度考慮，其較日照溫度作用更為簡單。故本研究中未考慮年溫差作用對結(jié)構(gòu)的影響，僅考慮日照引起的結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)。

2.1 環(huán)境溫度

從橋址環(huán)境溫度變化的實測數(shù)據(jù)（圖4）可看出，環(huán)境溫度隨時間變化規(guī)律基本呈正（余）弦曲線變化。日最高氣溫出現(xiàn)在14：00，最低氣溫出現(xiàn)在04：00。橋址最大日溫差可達16℃。

圖4 橋址環(huán)境溫度變化曲線Fig.4 Ambient temperatureof thebridge site

2.2 溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過定時量測得到了組合箱梁各點溫度時程曲線，限于篇幅原因，本文取晝夜溫差最大的溫度實測數(shù)據(jù)（從2019-07-07T10：00到2019-07-08T08：00）進行分析。圖5為各箱室頂、底和腹板關(guān)鍵點溫度時程曲線。

由圖5可知，箱梁各測點溫度隨時間呈弦曲線變化，最高溫出現(xiàn)在16：00，最低溫出現(xiàn)在04：00。由于鋼箱梁良好的導(dǎo)熱性能，使混凝土頂板和腹板同時達到溫度極值。

圖5 箱梁關(guān)鍵點溫度時程曲線Fig.5 Temperature-time curvesof key points of box girder

3 最不利溫度梯度

相較于有限元數(shù)值模擬，現(xiàn)場實測溫度場數(shù)據(jù)能夠更為真實地反映出結(jié)構(gòu)溫度場的變化規(guī)律。然而，溫度時程曲線數(shù)據(jù)量龐大，并不利于工程實踐應(yīng)用。因此，需運用數(shù)學(xué)方法對實測數(shù)據(jù)進行分析處理。本文采用測試頂面溫度達最大值時刻的結(jié)構(gòu)溫度分布形式作為最不利溫度梯度，故將16：00溫度實測數(shù)據(jù)擬合為直觀的函數(shù)形式。

3.1 豎向溫度梯度

主梁由混凝土和鋼材兩種材料組成，二者在結(jié)合部位溫差顯著，因此，擬合豎向溫度梯度時以頂板和腹板交界面為界，采用分段函數(shù)形式表達。圖6為在16：00時箱梁1#～4#箱室豎向溫度變化情況。由于受到太陽入射角度和風(fēng)速等因素的影響，各箱室豎向溫度梯度存在一定差異性。組合梁溫度設(shè)計中，對各箱室分別施加溫度梯度函數(shù)勢必會導(dǎo)致計算效率低下，目前規(guī)范均采用統(tǒng)一的溫度梯度函數(shù)施加于主梁上。因此，本文基于最小二乘法通過MATLAB軟件對各箱室溫度進行擬合，得到了箱梁豎向擬合溫度梯度。擬合時頂板溫度梯度按線性函數(shù)擬合，如式（1）所示：

圖6 豎向溫度梯度Fig.6 Vertical temperature gradient

3.2 橫向溫度梯度

為了保證最不利溫度場的時間同一性，仍選用在16：00時底板橫向溫度分布實測數(shù)據(jù)進行指數(shù)函數(shù)擬合，表達式為：

4 有限元精細化模型

4.1 有限元模型

為了研究該類新型結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)，以采用30.0 m新型波形鋼腹板組合箱梁的實際工程結(jié)構(gòu)形式為研究對象。梁體鋼結(jié)構(gòu)部分采用全焊接鋼梁，鋼梁由U型主梁、橫隔板和底板加勁肋組成；翼緣板底緣采用YXB76-305-915型開口壓型鋼板，頂板底緣采用YXB65-185-555型閉口壓型鋼板；鋼腹板上翼緣板頂面設(shè)置剪力鍵與壓型鋼板-混凝土組合橋面板連為整體，栓釘間距為100 mm；單跨為4片組合小箱梁。

運用MIDAS/FEA軟件建立背景工程精細化有限元模型?；炷另敯宀捎昧骟w實體單元模擬，波形鋼腹板、鋼底板、壓型鋼板采用四節(jié)點板殼單元模擬，橋面板與腹板上緣鋼板通過三彈簧單元模擬的剪力鍵連接，壓型鋼板與混凝土間采用接觸單元生成粘結(jié)滑移邊界面。該模型共1 187 219個節(jié)點，1 214 352個單元，如圖7所示。

圖7 橋梁有限元模型Fig.7 Finiteelement model of the bridge

組合箱梁材料熱物理參數(shù)如表1所示。

現(xiàn)場實測和文獻[20]研究表明，沿橋軸線方向橋梁溫度分布較為均勻，通?？梢院雎灾髁喉槝蛳虻奈⑿夭?，因此，對模型進行2維溫度效應(yīng)數(shù)值仿真分析。

表1 箱梁主要材料熱物理參數(shù)Tab.1 Thermal physical parameters of box girder material

4.2 荷載工況定義

目前，未有針對波形鋼腹板組合梁橋溫度梯度的規(guī)范，現(xiàn)行設(shè)計主要參照《鋼-混凝土組合橋梁設(shè)計規(guī)范》（GB 50917—2013）考慮組合箱梁溫度效應(yīng)。此外，壓型鋼板在橋梁領(lǐng)域應(yīng)用較少，非線性溫度作用對混凝土橋面板受力特性的影響尚未可知。本文建立了有、無壓型鋼板的2種組合梁有限元模型，設(shè)計了6種荷載工況（表2）。對比現(xiàn)行規(guī)范與實測梯度的溫度應(yīng)力結(jié)果，分析壓型鋼板對混凝土橋面板的影響特點。

表2 荷載工況Tab.2 Load conditions

5 結(jié)果分析

5.1 組合橋面板溫度效應(yīng)

通過有限元軟件計算得到各工況下的梁體溫度響應(yīng)，分別取梁體1/6（1-截面）、1/3（2-2截面）和跨中（3-3截面）進行橫向溫度效應(yīng)分析。

壓型鋼板-混凝土組合橋面板上緣橫向應(yīng)力如圖8所示。由圖8可以看出：1）1-1、2-2、3-3截面橫向溫度應(yīng)力分布規(guī)律大體趨近，應(yīng)力峰值均位于腹板上翼緣鋼板與梁間壓型鋼板交界面上。2）在實測溫度場作用下，各箱室間翼緣板上緣產(chǎn)生了較為可觀的橫向拉應(yīng)力，最大超過2.4 MPa，各箱室中軸線處亦出現(xiàn)0.76～1.04 MPa的拉應(yīng)力；在規(guī)范溫度場作用下，橋面板上緣均為壓應(yīng)力。因此，對該類組合結(jié)構(gòu)橋梁橫向設(shè)計時，依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范進行設(shè)計較不安全，對鋼與混凝土間溫差效應(yīng)引起的橫向應(yīng)力必須予以高度關(guān)注。3）工程實踐中，中軸線處為箱梁頂板最易開裂區(qū)[21]。在實測梯度下，閉口型壓型鋼板使各箱室頂板中軸線上緣拉應(yīng)力平均降低超過0.5 MPa，表明閉口型壓型鋼板對該區(qū)域抗裂有利。4）擬合溫度梯度（工況5、工況6）與實測溫度梯度（工況1、工況3）在各截面上應(yīng)力分布規(guī)律基本一致。除1#箱室在1-1截面上擬合梯度應(yīng)力（下文簡稱擬合值）略小于實測梯度應(yīng)力（下文簡稱實測值）外，在其他位置實測值均包絡(luò)于擬合值，二者最大相對誤差為6.9%。故采用本文擬合的溫度梯度能較好保持計算精度，大幅提高計算效率且能保證橋梁安全性。

圖8 組合橋面板上緣橫向應(yīng)力Fig.8 Transverse stress on upper edge of composite deck

表3為壓型鋼板對橋面板上緣橫向應(yīng)力的影響。由表3對比工況1與工況3可知，實測溫度梯度作用下壓型鋼板對橋面板上緣拉應(yīng)力具有放大作用。組合橋面板在1-1、2-2、3-3截面橫向拉應(yīng)力峰值分別為2.42、1.48和1.43 MPa，較普通混凝土頂板分別提高17.4%、15.4%和16.6%。

表3 壓型鋼板對橋面板上緣橫向溫度應(yīng)力峰值的影響Tab.3 Effect of profiled steel sheet on the peak value of transverse temperature stresson upper edge of deck

圖9為跨中截面橋面板下緣橫向應(yīng)力，由圖9可見，橋面板各特征截面下緣應(yīng)力與上緣應(yīng)力分布規(guī)律基本一致。

圖9 跨中截面橋面板下緣橫向應(yīng)力Fig.9 Transverse stress on lower edge of bridge deck in mid span section

由圖9可得，工況1、工況2和工況5作用下，混凝土下緣最大橫向拉應(yīng)力分別為1.69、2.90和1.77 MPa，壓型鋼板最大橫向拉應(yīng)力分別為41.60、42.59和41.96 MPa。顯然，本文擬合值與實測值較為接近，與規(guī)范值偏差較大。實測梯度下，橋面板與腹板交界面的溫差效應(yīng)使組合橋面板下緣混凝土出現(xiàn)0.33～1.69 MPa的橫向拉應(yīng)力，可能引起該區(qū)域混凝土開裂。

5.2 底板溫度效應(yīng)

表4列出了跨中截面底板橫向溫度應(yīng)力峰值?？傮w來看，底板橫向應(yīng)力實測值與擬合值很接近且大于規(guī)范值，底板最大應(yīng)力僅為鋼材屈服應(yīng)力的10%。壓型鋼板使底板應(yīng)力稍有增大，但可以忽略。

表4 跨中截面各箱室底板橫向應(yīng)力峰值Tab.4 Peaks of transverse stresses in bottom slab of each box in mid span section MPa

綜上，新型波形鋼腹板組合箱梁鋼與混凝土接觸面存在明顯的溫差，壓型鋼板對混凝土的約束作用引起的附加應(yīng)力極易引起橋面板局部開裂。因此，簡單套用規(guī)范計算西北干寒地區(qū)新型波形鋼腹板組合箱梁的溫度效應(yīng)較不安全，該地區(qū)進行此類組合結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)計算時，建議根據(jù)橋址場地氣象數(shù)據(jù)對其進行專項分析。

6 結(jié) 論

1)日照溫差作用下，新型波形鋼腹板組合箱梁頂板與腹板交界面存在明顯的溫度梯度。翼緣板上緣、頂板-腹板交界面和各箱室中軸線處分別會出現(xiàn)最大達2.42、1.83和1.26 MPa的橫向拉應(yīng)力，極有可能導(dǎo)致橋面板開裂，在設(shè)計中應(yīng)給予重視。

2)實測溫度梯度下，閉口型壓型鋼板使各箱室頂板中軸線上緣橫向拉應(yīng)力降低超過0.5 MPa，對橋面板受力有利，而開口型壓型鋼板使各箱室翼緣板上緣橫向拉應(yīng)力提高15%～18%，對橋面板抗裂不利。

3)基于現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)擬合出一種豎向分段多項式和橫向指數(shù)函數(shù)組成的新型波形鋼腹板組合箱梁2維溫度梯度，可為該氣候條件區(qū)域類似工程的溫度效應(yīng)計算提供必要參考。