三主桁钢桁梁铁路桥温度场研究

汪水清 （宁安铁路有限责任公司，安徽 芜湖 241000）

1 研究背景

温度对桥梁结构受力有较大的影响，除有效温度变化引起桥梁结构变形外，截面温度梯度变化还会引起结构附加的温度应力[1]。这就给桥梁施工时的标高控制，内力控制等带来一系列困难[2]。东营黄河公路钢斜拉桥施工时，由日照引起顶、底板温度变化，导致高程变化2 cm～5 cm，由日光侧照引起主梁中线偏移值达5cm之多；杭州江东大桥钢箱梁顶推施工中，梁体的不均匀温度场导致拼装平台上已拼梁段尾端最大竖向位移达3.5cm。

为了确定结构物内的温度应力，一般要分两步来实施：首先用实验或理论方法来确定结构内各点在各瞬时的温度，即“温度场”，而前后两个温度场之差就是结构物的变温场或温度荷载；然后，根据结构物的温度荷载，用理论或实验方法来确定结构物内各点的温度应力。当前国内外对混凝土构件温度场分析已相当成熟[3-5]，其温度荷载的计算方法先后纳入桥梁设计规范[6]。对钢箱梁温度场及其效应分析的研究也有相当进展[7]。而对于钢桁梁，特别是三主桁钢桁梁结构温度场，至今研究资料匮乏。文章将对三主桁钢桁梁温度场进行测试分析。

2 工程概况

安庆长江铁路大桥是南京至安庆城际铁路和阜阳至景德镇铁路的重要组成部分，距已建成的安庆长江公路大桥22km。大桥主桥采用六跨连续钢桁梁双塔斜拉桥，跨度组成为（103+188.5+580+217.5+159.5+117.5）m，全长1366 m。主梁为三片主桁钢桁梁，桁间距2m×14m，节间长14.5m，桁高15m。主塔为钢筋混凝土结构，塔高210m，斜拉索为空间三索面，立面上每塔两侧共18对索，全桥216根斜拉索。所有桥墩上均设竖向和横向约束，4#塔与主梁之间设纵向水平约束，3#塔与梁间使用带限位功能的粘滞阻尼器。桥梁概况见图1所示。

图1 安庆长江铁路大桥

图2 温度测试数据采集及分析系统示意图

图3 钢桁梁温度测试断面布置图

图4 E断面温度测点布置图

3 温度现场测试及数据分析

3.1 测试方法和测点布置

安庆长江铁路大桥为多次超静定结构，温度将对斜拉桥的内力及线形产生重要影响。在本次测试中引进了美国数字化温度传感器及无线（有线）测控仪采集系统。该温度测试系统由于采用数字信号采集传输，数据不会失真，提高了系统的稳定性和抗干扰性，同时大大减少了系统的电缆数，更保证了温度测量的同步性，且感温元件的制作精度高，传感器也无须另外标定。其工作原理如图2所示。

图5 钢桁梁温度测点布置图

图7 上弦上游桁主要测点温度变化图

图8 下弦上游桁主要测点温度变化图

图9 上弦各测点温度变化对比图

图10 下弦各测点温度变化对比图

选择主梁具有代表性的截面布置传感器，通过测量主梁横向温度场及沿纵向的变化，了解主梁温度场情况。由于钢板较薄，导热性能好，可忽略沿厚度方向的温度梯度，沿厚度方向的热流动也可不考虑，故可以通过在钢桁梁钢板内壁布设温度测点，实测钢桁梁温度场的变化情况，从而得出钢桁梁各部位温度变化情况及最大日照温度梯度。

温度测试断面及测点布置见图3~6。

3.2 钢桁梁温度实测数据及分析

太阳总辐射强度是影响日照升温温度荷载的主要因素，是结构表面换热的主要热源，也是结构内部处于高温差分布的主要因素。从设计计算的角度来看，考虑太阳辐射引起的短时温差效应，一般是以某一时刻的最大温度梯度为设计控制荷载的。因此选择那些天气晴朗、太阳辐射强烈的典型日子进行24h、时间间隔为1h的温度测量。

本研究选取2012年7月31日凌晨1时至晚上24时E断面测点温度测试数据为例子进行分析。

3.2.1 上弦、下弦上游桁温度变化对比（见图7、图8）

从图7和图8可以看出，钢桁梁温度受外界温度影响。同样是上游桁，测点位置不同，接受阳光辐射不同，温度场也有差异。上弦上游桁各测点受阳光照射时间长且剧烈，各点温度差异比较大。从图7可以看出，上弦上游桁各测点从7:00至13:00，由于阳光辐射的逐步增强，温度呈上升趋势。13:00以后，阳光辐射逐步减弱，温度呈下降趋势。11通道测点位于接受阳光辐射比较弱的位置，相对于另外3个测点温度变化比较稳定。上弦上游桁各测点最大温差在13:00左右，最大温差为5.63℃。下游上弦杆位于外侧的两个测点接受阳光辐射时间长，里侧的2个测点相对比较弱，因此1通道测点和10通道测点温度变化比较大，而9通道测点和3通道测点则相对比较稳定。从图8可以看出，1通道测点和10通道测点在8：00左右有明显的升温过程，之后由于阳光辐射角度的不同，温度逐步下降，在下午17:00左右又有小幅升温。而9通道测点和3通道测点由于受不到阳光直射，温度比较稳定，在8:00至16:00由于大气温度较高有小幅的逐步升温。下弦上游桁各测点最大温差在11:00左右，最大温差为12.89℃。

3.2.2 上弦和下弦各测点温度变化对比（见图9、图10）

从图9可以看出，上弦各杆测点最大温差在16:00左右，最大温差为5.25℃，上弦各杆测点在7:00至20:00之间均有较大起伏。从图10可以看出，下弦各杆测点最大温差在11:00左右，最大温差为11.87℃。下弦各杆测点最大温差大于上弦各杆最大温差，因为下弦测点在同一时刻外侧测点接受阳光辐射大，而内侧接受阳光辐射少，温度差异比较大。上、下弦各测点温度均有先升后降的过程，这是由于太阳辐射的强度也有先升后降的变化趋势。而通过两图对比可知，下弦外侧测点通道1和9有突然的升温和降温过程，说明其对太阳辐射十分敏感。下弦的中游测点和下游测点相对于上弦，温度变化不那么明显，主要是因为其位于背阳处，温度变化主要是由环境温度的变化引起。

3.2.3 上弦、下弦各杆温度变化对比（见图11）

图11 上弦下弦各杆温度变化对比图

图6 温度测点布置现场图

从图11可以看出，上下弦各杆最大温差在12:00左右，最大温差为7.23℃。上、下弦各测点在7:00至14:00之间温度均逐步升高，上弦各测点温度升高明显强于下弦。而在22:00至7:00之间，下弦各测点温度略高于上弦各测点温度，说明上弦各测点温度上升和下降都比较明显，而下弦各测点温度则比较稳定。这主要是由于上弦各测点接受阳光辐射时间长，强度大，而钢桁梁对太阳辐射比较敏感，因此上弦各测点温度有明显的上升和下降趋势；而下弦选取的3个主要测点处于背阳位置，接受阳光辐射少，温度变化不那么明显。

4 结 论

①太阳辐射强度是影响钢桁梁温差分布最重要的因素，外界气温变化对钢桁梁的温度分布也有一定的影响。

②钢桁梁对太阳辐射十分敏感，钢桁梁上弦杆在有太阳辐射时升温迅速，无太阳辐射时降温迅速。

③温差主要集中在钢桁梁的向阳侧，在梁的背阳侧，温度分布比较均匀且波动较小。在斜拉桥主桥施工阶段必须要考虑温度对钢桁梁的内力及变形的影响。

[1]王解军,李小国,殷灿彬.高墩大跨连续刚构箱梁桥的温度场测试研究[J].中南林业科技大学学报,2011(4).

[2]葛耀君,翟东,张国泉.混凝土斜拉桥温度场的试验研究[J].中国公路学报,1996(2).

[3]李艳,李小国,杨可可.连续刚构桥箱梁温度场测试研究[J].交通科技,2011(3).

[4]李全林.日照下混凝土箱梁温度场和温度应力研究[D].长沙：湖南大学,2004.

[5]刘兴法.混凝土结构的温度应力分析[M].北京:人民交通出版社,2003.

[6]TB10002.1-2005,铁路桥涵设计基本规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.

[7]杨宁.无铺装层钢箱梁日照温度场及其效应分析[D].长沙:长沙理工大学,2009.