王海民

摘 要：为了研究钢-混凝土组合箱梁日照温度场的特点及对结构的作用，通过分析研究了该截面型式箱梁的日照温度场分布特点和温度应力时程变化情况，给出了日照温差简化模式，对提出的模型与现存的温差模式进行对比。结果表明：现存的日照温差模式较小，有必要针对钢-混凝土组合截面的日照温度场进行深入研究，得出更合理的日照温差模式。

关键词：桥梁工程；钢-混凝土组合结构；太阳辐射；温度场；温度应力

钢-混凝土组合截面的温度场特点在现存桥梁设计规范中虽然有规定，但是通过多年实践分析研究，还是有一定问题，还需要进一步完善和规范。

文章通过对太阳辐射、钢-混凝土组合箱梁的箱内外温度和大气对流特点，进行热分析，建立单箱单室钢-混凝土组合箱梁日照温度场的计算模型，通过计算分析研究了该截面型式箱梁的日照温度场分布特点和温度应力时程变化情况，给出了日照温差简化模式，并对现存温差模式对比。

1 太阳辐射的特点

日照温差的主要原因是太阳辐射，是指垂直于太阳直射光线的单位面积在单位时间内吸收投射在它上面的太阳辐射后所获得的热量，它表示太阳辐射能量的大小。太阳辐射经过大气削弱之后到达地面的太阳直接辐射和散射辐射之和称为太阳总辐射。影响太阳辐射强度最重要的因素是日地距离、太阳高度角和大气浑浊度。太阳高度角越小，大气越浑浊，大气吸收的热量越大，到达桥面的太阳辐射强度则越小。

2 影响日照温差的原因

2.1 太阳辐射

我国幅员辽阔，各地区纬度差别大，因此太阳的高度在不同地区随时间月份变化情况也不一样，如图1所示。靠近赤道处低纬度地区太阳高度角在3、9月份最大，其它纬度地区在夏天时太阳高度角最大，而且纬度越大，高度角越小。

图1 正午太阳高度角的月变化曲线

地面对太阳的辐射，绝大部分被吸收掉，剩余的少部分以漫反射的形式向四周反射，计算时仅对桥面板外侧悬挑、外侧腹板和底板考虑太阳辐射的反射能量，地面平均反射率为0.2。

2.2 大气温度

桥梁结构表面与大气之间进行着对流和辐射换热，在同一风速下，大气温度越低，其结构表面散失的热量越多。一天的气温变化规律，一般都差不多，除非哪天天气有特殊的变化。

桥下的空气流动性小，比遮荫气温要略低，而在夜间两者可达到一致的最低气温，因此桥下气温仍按图2进行标准化处理，只是最高气温有所降低，在夏季比气象台最高遮荫气温低1～2℃。

图2 夏季日气温标准化曲线

2.3 箱内温度

由于空气导热系数极小，箱内空气与钢箱和混凝土之间主要通过对流换热。箱内空气处于密闭状态，气体流动性取决于箱壁的形状和温度分布情况，如果上冷下热，则下层气体吸收热量后温度升高，密度变轻从而带动能量向上层浮动，流动性好，对流换热现象相对较好，反之则差。在对结构进行复杂的热分析的同时，再考虑箱内气体的流体力学分析，存在边界处理和不同物理场耦合的问题。

2.4 空气对流换热

风速越大，则结构表面与空气之间的对流换热越剧烈，则结构温度场的正温差越小。任意时刻空气与结构上表面的对流换热系数有计算公式。

3 温度场计算分析规律

3.1 下缘最大拉应力随时间增长而增加，上缘最大压应力随时间增长减小，三天后基本趋于稳定；原于上缘温度应力以自应力为主要组成部分，五天中各天中出现的最大温度应力差异比较小；而下缘温度应力以次应力为主，因此各天所出现的最大拉应力有所差异，随着次应力作用的稳定周期性变化，下缘温度应力也呈稳定周期性变化。

3.2 一天中，截面次应力在16：50左右达到最大，与最大出现时刻相一致。

3.3 上缘压应力在13点多一点时达到最大；下缘拉应力在下午五点半左右达到最大，上缘最大压应力与下缘最大拉应力不是同时刻发生。

3.4 上缘自应力波动幅度大，而下缘比较平缓，这是因为上缘温度变化幅度比较大，而下缘温度变化平缓的主要原因。

3.5 下缘最大拉应力达到最大时，比峰值小于0.7%；表面温度达到最大时，比下缘最大拉应力小于14%。因此下缘最大温度应力不能以上缘达到最高表面温度为判定条件。

4 最不利日照温度场

通过以上分析，上缘和下缘最大温度应力出现的时间不同步，计算温度场存在差异，上缘可以表面一天中出现最大温度时的温度场作为最不利温度场，下缘可以值达到最大时刻的温度场作为最不利温度场。为便于工程技术人员使用，提出简化温度场模式，具体思路如下：

（1）以值达到最不利的温度场为依据，此时钢箱温度分布非常均匀，将混凝土桥面板内的温度分布按线性化进行改造。（2）改造后的温度在桥面板内面积积分不变，以及温度积分重心点不变，以保持改造前后温度场对结构的作用不变，提供三个温度值为：上表面所能达到的最大温度、改造后的桥面板上和下缘温度，桥面板内部温度按线性分布，这样可以保证截面下缘温度应力能达到或接近各自的最大值。（3）上缘混凝土压应力在改造后温度场计算结果基础上进行修正。（4）将温度值整体计算，则化成截面温差形式，相应的形成上表面所能达到的最大温度、改造后的桥面板上和下缘温度，修正上缘混凝土压应力值。

以该简化温度场数值重新进行温度应力计算，求得中跨跨中下、上缘最大温度应力，与各自的理论最大值很接近。下缘温度应力略大，是因为实际钢箱上部温度比中、下部略大，简化计算时钢箱温度按中、下部取值，因此温差比实际的要略大些。

对于三跨等截面连续梁，汽车设计荷载标准公路II级，车道及偏载系数按2.3考虑，温度荷载考虑两种模式。

5 结束语

5.1 文章所提出的箱室内空气对流换热模式可作为截面温度场计算的参考。

5.2 在夏季连续多天晴朗、微风条件下，结构日照温差最为不利，温度次内力最大作用时刻在16：56左右。

5.3 对于钢混组合箱梁，上缘最大压应力与下缘最大拉应力出现时刻不同步，下缘最大温度应力不能以上缘达到最高表面温度为判定条件。

参考文献

[1]李丹，余健，章登精.南京地区环氧沥青混凝土钢桥面铺装病害分析及养护措施[J].森林工程，2012，05：86-91.

[2]徐永丽，程培峰，孙志明.水泥混凝土桥面铺装层最不利荷载位置的确定[J].森林工程，2013，02：93-95.

[3]王丕祥，于可鑫，姜迪.预应力混凝土薄壁箱梁桥应力分析[J].森林工程，2013，02：96-98.

[4]胡艳军.双洎河特大型现浇混凝土渡槽施工技术[J].森林工程，2013，05：103-105.

[5]栾兆健，贾艳敏.预应力混凝土小箱梁预应力阶段预应力损失分析[J].森林工程，2013，06：120-122+128.