王海民

摘 要：為了研究鋼-混凝土組合箱梁日照溫度場(chǎng)的特點(diǎn)及對(duì)結(jié)構(gòu)的作用，通過(guò)分析研究了該截面型式箱梁的日照溫度場(chǎng)分布特點(diǎn)和溫度應(yīng)力時(shí)程變化情況，給出了日照溫差簡(jiǎn)化模式，對(duì)提出的模型與現(xiàn)存的溫差模式進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明：現(xiàn)存的日照溫差模式較小，有必要針對(duì)鋼-混凝土組合截面的日照溫度場(chǎng)進(jìn)行深入研究，得出更合理的日照溫差模式。

關(guān)鍵詞：橋梁工程；鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)；太陽(yáng)輻射；溫度場(chǎng)；溫度應(yīng)力

鋼-混凝土組合截面的溫度場(chǎng)特點(diǎn)在現(xiàn)存橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中雖然有規(guī)定，但是通過(guò)多年實(shí)踐分析研究，還是有一定問(wèn)題，還需要進(jìn)一步完善和規(guī)范。

文章通過(guò)對(duì)太陽(yáng)輻射、鋼-混凝土組合箱梁的箱內(nèi)外溫度和大氣對(duì)流特點(diǎn)，進(jìn)行熱分析，建立單箱單室鋼-混凝土組合箱梁日照溫度場(chǎng)的計(jì)算模型，通過(guò)計(jì)算分析研究了該截面型式箱梁的日照溫度場(chǎng)分布特點(diǎn)和溫度應(yīng)力時(shí)程變化情況，給出了日照溫差簡(jiǎn)化模式，并對(duì)現(xiàn)存溫差模式對(duì)比。

1 太陽(yáng)輻射的特點(diǎn)

日照溫差的主要原因是太陽(yáng)輻射，是指垂直于太陽(yáng)直射光線的單位面積在單位時(shí)間內(nèi)吸收投射在它上面的太陽(yáng)輻射后所獲得的熱量，它表示太陽(yáng)輻射能量的大小。太陽(yáng)輻射經(jīng)過(guò)大氣削弱之后到達(dá)地面的太陽(yáng)直接輻射和散射輻射之和稱為太陽(yáng)總輻射。影響太陽(yáng)輻射強(qiáng)度最重要的因素是日地距離、太陽(yáng)高度角和大氣渾濁度。太陽(yáng)高度角越小，大氣越渾濁，大氣吸收的熱量越大，到達(dá)橋面的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度則越小。

2 影響日照溫差的原因

2.1 太陽(yáng)輻射

我國(guó)幅員遼闊，各地區(qū)緯度差別大，因此太陽(yáng)的高度在不同地區(qū)隨時(shí)間月份變化情況也不一樣，如圖1所示。靠近赤道處低緯度地區(qū)太陽(yáng)高度角在3、9月份最大，其它緯度地區(qū)在夏天時(shí)太陽(yáng)高度角最大，而且緯度越大，高度角越小。

圖1 正午太陽(yáng)高度角的月變化曲線

地面對(duì)太陽(yáng)的輻射，絕大部分被吸收掉，剩余的少部分以漫反射的形式向四周反射，計(jì)算時(shí)僅對(duì)橋面板外側(cè)懸挑、外側(cè)腹板和底板考慮太陽(yáng)輻射的反射能量，地面平均反射率為0.2。

2.2 大氣溫度

橋梁結(jié)構(gòu)表面與大氣之間進(jìn)行著對(duì)流和輻射換熱，在同一風(fēng)速下，大氣溫度越低，其結(jié)構(gòu)表面散失的熱量越多。一天的氣溫變化規(guī)律，一般都差不多，除非哪天天氣有特殊的變化。

橋下的空氣流動(dòng)性小，比遮蔭氣溫要略低，而在夜間兩者可達(dá)到一致的最低氣溫，因此橋下氣溫仍按圖2進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，只是最高氣溫有所降低，在夏季比氣象臺(tái)最高遮蔭氣溫低1～2℃。

圖2 夏季日氣溫標(biāo)準(zhǔn)化曲線

2.3 箱內(nèi)溫度

由于空氣導(dǎo)熱系數(shù)極小，箱內(nèi)空氣與鋼箱和混凝土之間主要通過(guò)對(duì)流換熱。箱內(nèi)空氣處于密閉狀態(tài)，氣體流動(dòng)性取決于箱壁的形狀和溫度分布情況，如果上冷下熱，則下層氣體吸收熱量后溫度升高，密度變輕從而帶動(dòng)能量向上層浮動(dòng)，流動(dòng)性好，對(duì)流換熱現(xiàn)象相對(duì)較好，反之則差。在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)雜的熱分析的同時(shí)，再考慮箱內(nèi)氣體的流體力學(xué)分析，存在邊界處理和不同物理場(chǎng)耦合的問(wèn)題。

2.4 空氣對(duì)流換熱

風(fēng)速越大，則結(jié)構(gòu)表面與空氣之間的對(duì)流換熱越劇烈，則結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的正溫差越小。任意時(shí)刻空氣與結(jié)構(gòu)上表面的對(duì)流換熱系數(shù)有計(jì)算公式。

3 溫度場(chǎng)計(jì)算分析規(guī)律

3.1 下緣最大拉應(yīng)力隨時(shí)間增長(zhǎng)而增加，上緣最大壓應(yīng)力隨時(shí)間增長(zhǎng)減小，三天后基本趨于穩(wěn)定；原于上緣溫度應(yīng)力以自應(yīng)力為主要組成部分，五天中各天中出現(xiàn)的最大溫度應(yīng)力差異比較??；而下緣溫度應(yīng)力以次應(yīng)力為主，因此各天所出現(xiàn)的最大拉應(yīng)力有所差異，隨著次應(yīng)力作用的穩(wěn)定周期性變化，下緣溫度應(yīng)力也呈穩(wěn)定周期性變化。

3.2 一天中，截面次應(yīng)力在16：50左右達(dá)到最大，與最大出現(xiàn)時(shí)刻相一致。

3.3 上緣壓應(yīng)力在13點(diǎn)多一點(diǎn)時(shí)達(dá)到最大；下緣拉應(yīng)力在下午五點(diǎn)半左右達(dá)到最大，上緣最大壓應(yīng)力與下緣最大拉應(yīng)力不是同時(shí)刻發(fā)生。

3.4 上緣自應(yīng)力波動(dòng)幅度大，而下緣比較平緩，這是因?yàn)樯暇墱囟茸兓缺容^大，而下緣溫度變化平緩的主要原因。

3.5 下緣最大拉應(yīng)力達(dá)到最大時(shí)，比峰值小于0.7%；表面溫度達(dá)到最大時(shí)，比下緣最大拉應(yīng)力小于14%。因此下緣最大溫度應(yīng)力不能以上緣達(dá)到最高表面溫度為判定條件。

4 最不利日照溫度場(chǎng)

通過(guò)以上分析，上緣和下緣最大溫度應(yīng)力出現(xiàn)的時(shí)間不同步，計(jì)算溫度場(chǎng)存在差異，上緣可以表面一天中出現(xiàn)最大溫度時(shí)的溫度場(chǎng)作為最不利溫度場(chǎng)，下緣可以值達(dá)到最大時(shí)刻的溫度場(chǎng)作為最不利溫度場(chǎng)。為便于工程技術(shù)人員使用，提出簡(jiǎn)化溫度場(chǎng)模式，具體思路如下：

（1）以值達(dá)到最不利的溫度場(chǎng)為依據(jù)，此時(shí)鋼箱溫度分布非常均勻，將混凝土橋面板內(nèi)的溫度分布按線性化進(jìn)行改造。（2）改造后的溫度在橋面板內(nèi)面積積分不變，以及溫度積分重心點(diǎn)不變，以保持改造前后溫度場(chǎng)對(duì)結(jié)構(gòu)的作用不變，提供三個(gè)溫度值為：上表面所能達(dá)到的最大溫度、改造后的橋面板上和下緣溫度，橋面板內(nèi)部溫度按線性分布，這樣可以保證截面下緣溫度應(yīng)力能達(dá)到或接近各自的最大值。（3）上緣混凝土壓應(yīng)力在改造后溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上進(jìn)行修正。（4）將溫度值整體計(jì)算，則化成截面溫差形式，相應(yīng)的形成上表面所能達(dá)到的最大溫度、改造后的橋面板上和下緣溫度，修正上緣混凝土壓應(yīng)力值。

以該簡(jiǎn)化溫度場(chǎng)數(shù)值重新進(jìn)行溫度應(yīng)力計(jì)算，求得中跨跨中下、上緣最大溫度應(yīng)力，與各自的理論最大值很接近。下緣溫度應(yīng)力略大，是因?yàn)閷?shí)際鋼箱上部溫度比中、下部略大，簡(jiǎn)化計(jì)算時(shí)鋼箱溫度按中、下部取值，因此溫差比實(shí)際的要略大些。

對(duì)于三跨等截面連續(xù)梁，汽車設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)公路II級(jí)，車道及偏載系數(shù)按2.3考慮，溫度荷載考慮兩種模式。

5 結(jié)束語(yǔ)

5.1 文章所提出的箱室內(nèi)空氣對(duì)流換熱模式可作為截面溫度場(chǎng)計(jì)算的參考。

5.2 在夏季連續(xù)多天晴朗、微風(fēng)條件下，結(jié)構(gòu)日照溫差最為不利，溫度次內(nèi)力最大作用時(shí)刻在16：56左右。

5.3 對(duì)于鋼混組合箱梁，上緣最大壓應(yīng)力與下緣最大拉應(yīng)力出現(xiàn)時(shí)刻不同步，下緣最大溫度應(yīng)力不能以上緣達(dá)到最高表面溫度為判定條件。

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