溫度效應(yīng)對(duì)鋼箱梁應(yīng)力變化規(guī)律影響分析

趙福利，李高堂，朱 毅，喬升訪，4

（1、珠海市建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)測(cè)站 珠海519015；2、中鐵二十局集團(tuán)有限公司 西安710016；3、廣州市建筑科學(xué)研究院有限公司 廣州510440；4、華南理工大學(xué) 廣州510641）

0 前言

鋼箱梁應(yīng)變或應(yīng)力監(jiān)測(cè)［1-5］是鋼箱梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的重要參數(shù)，是結(jié)構(gòu)損傷評(píng)估子系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。自身結(jié)構(gòu)形式、邊界條件、外界環(huán)境及偶然荷載作用復(fù)雜多變，都會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化錯(cuò)綜復(fù)雜。若盡可能減少盡可能多的干擾因素影響，對(duì)于研究結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化的機(jī)理具有重要意義。受外界環(huán)境（如：風(fēng)等橫向荷載，溫度荷載）及車輛等偶然荷載作用，對(duì)于自身復(fù)雜結(jié)構(gòu)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)響應(yīng)及邊界條件等復(fù)雜程度提高，此外，結(jié)構(gòu)形式與邊界條件是相互作用相互影響，因此將進(jìn)一步導(dǎo)致結(jié)構(gòu)響應(yīng)復(fù)雜性加深。

結(jié)構(gòu)體對(duì)溫度荷載響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)與車輛及風(fēng)等荷載作用相比較緩，但對(duì)于結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化的影響較大，然而傳統(tǒng)的消除方法［6-10］可消除車輛及噪聲對(duì)應(yīng)力監(jiān)測(cè)值得影響。但這些消除方法的消除效果是無法完全消除的，故在鋼箱梁沒通車前，可消除車輛偶然荷載作用，且監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)來自秋冬季節(jié)，無較大的風(fēng)荷載作用，此時(shí)可默認(rèn)為鋼箱梁僅受溫度變化引起的結(jié)構(gòu)性能響應(yīng)，通過探究溫度變化與此時(shí)結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化值的關(guān)系，梳理分析結(jié)構(gòu)內(nèi)部復(fù)雜機(jī)理反應(yīng)具有重要作用。

影響鋼箱梁溫度場(chǎng)因素主要有外界環(huán)境、熱交換因素、橋位測(cè)點(diǎn)分布因素以及結(jié)構(gòu)形式因素等［11］。其中外界環(huán)境包含結(jié)構(gòu)所處的地理位置，地理位置先天決定了大致氣候條件及有無臺(tái)風(fēng)等惡劣天氣；而熱交換因素［12］包括大氣溫度與箱梁內(nèi)部熱交換，太陽輻射等；橋位測(cè)點(diǎn)分布因素以及結(jié)構(gòu)形式后天決定測(cè)點(diǎn)接受太陽輻射量（如上下板）；迎風(fēng)面會(huì)加快結(jié)構(gòu)熱交換；鋪裝層瀝青對(duì)溫度變化影響較為顯著。

1 珠海某立交橋應(yīng)變與溫度變化關(guān)系研究

1.1 珠海某立交橋工程概況

本文研究依托珠海某立交橋，主橋?yàn)閱沃盏匿撓淞航Y(jié)構(gòu)。主跨橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)施智能化橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中包括應(yīng)力、測(cè)點(diǎn)溫度、豎向撓度、加速度、橋墩傾斜及外界氣象等監(jiān)測(cè)內(nèi)容，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來源于已在橋梁結(jié)構(gòu)上穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后上傳至監(jiān)測(cè)平臺(tái)數(shù)據(jù)段。

基于前期對(duì)結(jié)構(gòu)體實(shí)施數(shù)值模擬分析并結(jié)合實(shí)際工況，將主橋應(yīng)變傳感器布設(shè)于鋼箱梁跨中內(nèi)部密閉空間內(nèi)，由于密閉環(huán)境對(duì)無線數(shù)據(jù)傳輸造成不利影響，在橋面板上開設(shè)5 mm 小孔，將應(yīng)變計(jì)導(dǎo)線引出橋面通過打孔方式將導(dǎo)線引出橋面后，使用混凝土將缺口進(jìn)行密封處理。主橋結(jié)構(gòu)上的應(yīng)變及溫度傳感器布置如圖1 所示。與此同時(shí)，在空曠橋面處安裝裝有外界環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器，測(cè)量主橋周邊環(huán)境的溫度變化。主梁截面共焊接有36個(gè)應(yīng)變傳感器，分別安裝在鋼箱梁跨中3個(gè)室中，每個(gè)倉室各12個(gè)，如圖1所示。

圖1 鋼箱梁跨中截面內(nèi)應(yīng)力傳感器安裝位置Fig.1 Installation Position of Internal Stress Sensor in the Mid Span Section of Steel Box Girder

對(duì)于鋼箱梁而言，溫度變化對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布影響較大［13］。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示：在夏季環(huán)境條件下，同一時(shí)段橋面上頂板與下底板溫差，同一部位晝夜溫差高達(dá)10 ℃以上，溫度對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布的影響不容忽視，故進(jìn)行橋體的溫度監(jiān)測(cè)很有必要［14］。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)溫度監(jiān)測(cè)

1.2.1 智能化健康監(jiān)測(cè)日溫度變化特征與統(tǒng)計(jì)分析

由圖2?可知，當(dāng)鋼箱梁處于高溫環(huán)境條件下，2 號(hào)室與3 號(hào)室部分測(cè)點(diǎn)最高溫度達(dá)50 ℃以上，最低溫度在30 ℃以上，遠(yuǎn)高于當(dāng)時(shí)室外溫度。其中橫坐標(biāo)表示離散信號(hào)的采樣個(gè)數(shù)，即采集次數(shù)。由于陽光直接照射上頂板，導(dǎo)致上頂板的傳感器溫度遠(yuǎn)高于下底板溫度；由于鋼箱梁內(nèi)部為較密閉環(huán)境，經(jīng)過太陽照射后，鋼箱梁內(nèi)部空氣流動(dòng)差，溫度持續(xù)升高導(dǎo)致的，而且保溫性能良好，從而導(dǎo)致箱梁內(nèi)溫度無論在高溫還是低溫條件下，室內(nèi)溫度均高于外界環(huán)境；此外，鋼箱梁上頂板表面鋪設(shè)有瀝青，導(dǎo)致外界溫度變化時(shí)，與上頂板相比，下底板的溫度變化較為敏感。太陽輻射對(duì)鋼箱梁溫度變化起主導(dǎo)作用。在低溫條件下，鋼箱梁內(nèi)室溫度變化波動(dòng)較小。

圖2 不同環(huán)境下箱梁部件典型溫度時(shí)程曲線Fig.2 Typical Temperature Time History Curve of Box Girder Components in Different Environments

在高溫晴朗環(huán)境下，多條曲線波動(dòng)幅度不同，但規(guī)律性較強(qiáng)，大氣溫度曲線具有導(dǎo)向作用，變化較為敏感，鋼箱梁室內(nèi)溫度及測(cè)點(diǎn)曲線段具有滯后性，但波動(dòng)趨勢(shì)與大氣溫度相符，如圖3 所示。室內(nèi)溫度位于上下板溫度的平均水平，豎向溫差變化較大。在陰天環(huán)境下，4條曲線的波動(dòng)幅度較小，由于沒有太陽光直接作用于上頂板的因素影響，鋼箱梁截面豎向溫差較小。無論在晴天還是在陰天條件下，下底板某測(cè)點(diǎn)溫度曲線與大氣溫度曲線吻合程度高，當(dāng)無法得知外界大氣溫度時(shí)，可將下底板監(jiān)測(cè)得到的溫度值暫時(shí)代替外界大氣溫度值使用。沒太陽光照射時(shí)，上頂板溫度與外界大氣溫度接近，當(dāng)太陽照射強(qiáng)度持續(xù)提高時(shí)，上頂板溫度上升較快。

圖3 外界環(huán)境與橋體耦合作用展示Fig.3 External Environment and Bridge Coupling

經(jīng)過研究可知，當(dāng)兩次結(jié)構(gòu)體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，溫差較大時(shí)，溫度對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的溫度應(yīng)力不容忽視，故本節(jié)將詳細(xì)分析溫度對(duì)應(yīng)力變化的影響，將其量化成公式，方便日后工程上使用，本節(jié)使用的數(shù)據(jù)段來源于監(jiān)測(cè)的鋼箱梁已竣工，但暫時(shí)沒通車時(shí)間段內(nèi)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，這段時(shí)段內(nèi)，橋面上已竣工，無人工橋面施工，橋面封閉，無車輛行駛，監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)可用于研究溫度對(duì)鋼箱梁結(jié)構(gòu)的影響。

1.2.2 港澳大道立交橋應(yīng)力與溫度日關(guān)系變化分析

從云平臺(tái)上提取某天箱梁監(jiān)測(cè)得到的應(yīng)力與溫度數(shù)據(jù)，探究港澳大道立交橋應(yīng)力與溫度日關(guān)系變化。如圖4所示，紅色曲線是溫度變化曲線，藍(lán)色曲線是應(yīng)力變化曲線。早上時(shí)間段為8∶00～11∶59；中午時(shí)間段為12∶00～15∶00；晚上時(shí)間段為18∶00～22∶00。

觀察圖4?可得在凌晨時(shí)分，溫度持續(xù)下降；在早上期間由于太陽照射作用的影響，上頂板溫度上升較快，在晚上時(shí)分及凌晨時(shí)分上頂板溫度下降速率加快。由于鋼箱梁內(nèi)部是一個(gè)密閉空間，通過太陽照射作用的影響，溫度可持續(xù)上升，上頂板溫度可遠(yuǎn)高于外界大氣溫度。故結(jié)構(gòu)溫差值較大，圖中最大溫差值為23 ℃是合理的；在下午太陽照射強(qiáng)度下降，上頂板的溫度開始下降。觀察下底板溫度變化曲線發(fā)現(xiàn)，由于沒太陽直接照射的作用，下底板溫度變化相對(duì)穩(wěn)定，整體曲線趨勢(shì)與上頂板相似。觀察應(yīng)力變化曲線可得，應(yīng)力值并非處于恒定值，而是處于較大變化幅度波動(dòng)中，橋體目前處于竣工尚未通車階段，且無施工人員在橋面上施工及大型器械作業(yè)，監(jiān)測(cè)期間無大型臺(tái)風(fēng)登陸，由此可判斷結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化值是由溫度變化而引起的，圖4?上頂板應(yīng)力變化與溫度是負(fù)相關(guān)性變化的，隨著溫度下降，上頂板應(yīng)力值升高，且測(cè)點(diǎn)每天的應(yīng)力變化具有規(guī)律性，與溫度變化值是一一對(duì)應(yīng)的。而且變化速率是相同的，可說明溫度變化與應(yīng)力變化是成線性關(guān)系。在早上期間整體上處于應(yīng)力值減少，說明上頂板壓應(yīng)力減少。在夜間時(shí)分隨著溫度下降量的減少，結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力減少，在這期間內(nèi)達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定。溫度上升，對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生壓應(yīng)力，由于結(jié)構(gòu)是簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，上部主要受壓應(yīng)力作用，下部主要受拉應(yīng)力作用，最終導(dǎo)致上頂板所測(cè)應(yīng)力值上升，下底板所測(cè)值時(shí)拉應(yīng)力，所測(cè)應(yīng)力值下降。

圖4 應(yīng)力與溫度變化日關(guān)系曲線Fig.4 Daily Relationship between the Stress and Temperature

1.2.3 港澳大道立交橋應(yīng)力與溫度月關(guān)系分析

圖5 某測(cè)點(diǎn)應(yīng)力與溫度月相關(guān)性曲線Fig.5 Monthly Correlation Curve of Stress and Temperature

如圖5所示，紅色曲線為溫度變化曲線，藍(lán)色是應(yīng)力變化曲線。為了更好表現(xiàn)上下板測(cè)點(diǎn)變化趨勢(shì)數(shù)據(jù)段由于僅受溫度變化這一外界因素影響，本文根據(jù)曲線的波動(dòng)趨勢(shì)將曲線劃分為多個(gè)時(shí)間段，已達(dá)到便于分析的目的。此時(shí)結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化與溫度變化相關(guān)。根據(jù)圖5?可知，隨著溫度升高，上頂板應(yīng)力值變小，與上頂板應(yīng)力值相比，下底板應(yīng)力值變化是反向的，下底板應(yīng)力值變大，上頂板變化幅度遠(yuǎn)大于下底板。此外，每天的變化規(guī)律是相似的，由于僅受溫度變化這一外界因素影響，在白天時(shí)分，隨著溫度的升高，結(jié)構(gòu)應(yīng)力值發(fā)生變化，在正午時(shí)分，結(jié)構(gòu)體室內(nèi)溫度值達(dá)到峰值，某測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值隨之達(dá)到峰值。從圖5?中可知，溫度峰值越高，應(yīng)力值變化值越大。通常在早上及晚上變化速率較快，在凌晨時(shí)段變化速率較緩。原因是在早上受到太陽光照射作用下，結(jié)構(gòu)體迅速升溫，由于材料特性及邊界條件的改變，結(jié)構(gòu)應(yīng)力發(fā)生改變。由于鋼箱梁內(nèi)部時(shí)密封環(huán)境，結(jié)構(gòu)體溫度上升可遠(yuǎn)高于外界，在晚上時(shí)，太陽下山，外界大氣溫度下降速率較快，結(jié)構(gòu)體與外界進(jìn)行熱交流。溫度隨之下降。由于上下板的位置不同，導(dǎo)致下底板受太陽照射的影響較小，結(jié)構(gòu)溫度變化較小。

從圖5 可知，某測(cè)點(diǎn)應(yīng)力與溫度變化值存在相關(guān)性。通過將溫度變化值使用橫坐標(biāo)數(shù)值表示，應(yīng)力變化值使用縱坐標(biāo)數(shù)值表示。從圖6可發(fā)現(xiàn)絕大部分點(diǎn)落在趨勢(shì)線上，由此可判斷某測(cè)點(diǎn)應(yīng)力與溫度變化值存在線性關(guān)系，上頂板趨勢(shì)線的斜率比下底板大。上頂板與下底板相比，溫度變化及應(yīng)力變化值變化區(qū)間跨度更大。將頂板及底板溫度及應(yīng)力值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析如表1所示，鋼箱梁最大拉應(yīng)變（峰值）主要分布在早上時(shí)段出現(xiàn)，最小值主要分布在凌晨時(shí)段；最小壓應(yīng)變多在出現(xiàn)在凌晨時(shí)段，最大壓應(yīng)力（峰值）主要分布在早上至下午。這是由于白天受太陽照射后結(jié)構(gòu)溫度上升較快，導(dǎo)致整體鋼箱梁所受壓應(yīng)力增大，引起位于鋼箱梁下部的下底板拉應(yīng)變減少，位于鋼箱梁跨中的上頂板壓應(yīng)變?cè)龃?。而根?jù)上文分析可得，結(jié)構(gòu)上半端受壓應(yīng)力作用，下端受拉應(yīng)力作用，使得圖中上頂板應(yīng)力值增加，下底板應(yīng)力值減少。上頂板最大應(yīng)力變化值及最小變化值分別為5.90 MPa 和2.88 MPa，下底板最大應(yīng)力變化值及最小變化值分別為2.78 MPa 和-1.15 MPa，遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)閾值，說明結(jié)構(gòu)受力性能穩(wěn)定。

表1 某測(cè)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)力差與溫度差統(tǒng)計(jì)特性Tab.1 Statistical Characteristics of Relative Stress Difference and Temperature Difference at a Measuring Point

圖6 板件測(cè)點(diǎn)應(yīng)力與溫度散點(diǎn)Fig.6 Scatter of Stress and Temperature at Measuring Point of Plate

2 結(jié)論

⑴在12月份期間，珠海氣溫變化較小，溫度對(duì)鋼箱梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響較小，荷載作用對(duì)其影響較小。大氣溫度曲線具有導(dǎo)向作用，與各測(cè)點(diǎn)相比，變化較為敏感，鋼箱梁室內(nèi)溫度及測(cè)點(diǎn)曲線段具有滯后性，但波動(dòng)趨勢(shì)與大氣溫度相符。

⑵上頂板的日溫度變化較大；下底板溫度變化較小，與外界溫度較為接近。溫度的變化與上頂板應(yīng)力變化成正相關(guān)，與下底板成負(fù)相關(guān)；當(dāng)溫度上升6 ℃，上頂板產(chǎn)生壓應(yīng)力可達(dá)到30 MPa，結(jié)果表明溫度變化產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化不容忽視。

⑶溫度對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力作用的影響不容忽視，尤其針對(duì)上頂板的影響較為顯著。在外界高溫的情況下，鋼箱梁內(nèi)部形成較大的溫度梯度，在分析某因素對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響時(shí)，剔除溫度效應(yīng)的影響，分析結(jié)果將更精確。雖然箱梁的幾何形態(tài)是對(duì)稱的，但由于受外界復(fù)雜環(huán)境的影響，在有限元模擬時(shí)根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)輸入溫度參數(shù)是十分必要的。