基于现场实测的无砟轨道箱形钢–混组合梁时变温度场分布规律研究

一

研究意义

钢–混组合桥梁能充分发挥材料的力学性能，相较于混凝土梁自重更小、抗震性能优越，相较于钢梁，避免了正交异性板疲劳开裂的问题，在铁路工程中得到广泛应用，具有广阔的应用前景。钢–混组合梁由钢和混凝土组成，这两种材料热力学性能差异显著，钢的比热容是混凝土的1/2，热传导系数约为混凝土的50倍，在环境温度变化和日照作用下，钢–混组合梁内部非均匀分布的温度场会产生温度自应力。对于连续梁等超静定结构，还会产生温度次应力。已有研究结果表明，超静定桥梁结构的温度效应已经达到或超过了活载产生的效应。

鉴于此，为分析环境温度作用下高速铁路无砟轨道箱形钢–混组合梁的时变温度场分布规律，基于南昌至赣州高速铁路赣州赣江特大桥主梁内外部环境的长期监测成果，建立了箱形钢–混组合梁时变温度场分析模型，考虑了桥面铺装、环境风速等因素对钢–混组合箱梁时变温度场的影响。

二

研究内容

1

热传导分析理论模型

根据热力学第二定律，结构内部吸收的热量与外部输入相等，该过程的微分方程可表示为

                                          (1)

假定在钢与混凝土交界面上温度与热通量是连续的，可表示为

                                 (2)

当结构表面与空气接触时，边界条件可表示为

                                     (3)

β与风速有关，风速越大，结构表面与空气的热交换速率越大，可按下式计算

                                           (4)

2

 工程背景与环境温度监测系统

昌赣客专赣江特大桥是世界上跨度最大的高速铁路无砟轨道钢–混组合梁斜拉桥，主跨300m，如图1所示。为掌握环境温度变化对主梁温度场的影响，在主梁跨中位置处，组合箱梁内外均布设了环境温度实时监测装置，如图2所示。

图1 昌赣客专赣江特大桥

（a）主梁外部	（b）主梁内部

图2 环境温度采集装置

本文提取了2019年9月2日0：00到2020年10月8日23:00时间段内温度监测数据，测试数据每小时采集1次，共计9670个小时，如图4所示。组合梁外部环境最高温度为43.1℃，最低气温为2.8℃，组合梁内部最高气温为34.9℃，最低气温为8.9℃。由于箱梁内部处于相对密闭的空间，箱梁内部温度总是滞后于外部环境温度的变化。

图3 箱形钢–混组合梁内外温度变化（2019.09.02~2020.10.08）

3

有限元分析

桥梁的几何特征决定了其内部的温度场传导具有显著的二维特性。为分析组合梁内部温度场分布规律，基于通用有限元软件ABAQUS建立了断面二维温度传导数值分析模型，模型考虑了轨道板、桥面垫层、栏杆基座等桥面附属构件对温度传导的影响，桥面附属设施如图5所示。混凝板土与钢梁均采用2维4节点热传导分析单元DC2DC4，单元网格尺寸最大为5mm，断面共计295 000个单元。

图4 组合梁断面温度场分析有限元模型

箱梁内部风速可近似取0m/s，对于箱梁外部的风速的取值，根据实测数据发现风速处于0~9m/s区间，为考虑外部风速对组合梁内部温度场分布规律的影响，根据风速的不同（0m/s、3m/s、6m/s、9m/s）建立了4个计算工况。合龙温度按实际情况取24℃。

4

结果分析

根据有限元分析结果，提取了温度梯度的四种极端情况，即：混凝土顶板与钢腹板的最大正温差与负温差、钢梁底板与腹板的最大正温差与负温差。风速为3m/s时组合梁断面的温度分布云图如图5所示。四种极端情况断面温度梯度如图6~9所示。

(a)	(b)
(c)	(d)

图5 组合梁温度场分布 (a) t = 05:00, 2020.03.31; (b) t = 16:00, 2020.04.18; (c) t = 08:00, 2020.04.27; and (d) t = 22:00, 2019.09.24. 风速 = 3 m/s.

在同一时刻，边腹板和中腹板处断面的竖向温度梯度存在显著差异。产生这一现象主要是因为中腹板上方的轨道板严重阻滞了钢箱组合梁顶板混凝土与大气温度的热交换，而边腹板处顶板混凝土顶面与侧面直接与大气接触，具有更快的热交换速率。

风速会加剧钢箱组合梁表面与环境之间的热交换速率，特别是当梁体内部温度高于环境温度时，风速越大，在梁体断面上会产生更剧烈的温度梯度。

另外，在环境温度作用下，由于箱梁内外温差的存在，钢箱组合梁断面上不仅会在顶板与腹板间出现温度差值，在腹板与底板间也会出现较大的温度梯度。

(a) 中腹板	(b) 边腹板
图6 竖向温度梯度 (t   = 05:00, 2020.03.31).
(a) 中腹板	(b) 边腹板
图7 竖向温度梯度(t   = 16:00, 2020.04.18).
(a) 中腹板	(b) 边腹板
图8 竖向温度梯度(t   = 08:00, 2020.04.27).
(a) 中腹板	(b) 边腹板
图9 竖向温度梯度(t   = 22:00, 2019.09.24).

上述各竖向温度梯度与欧洲规范（Eurocode 4）的取值对比如图10~图11所示。

图10 中腹板温度梯度与欧洲规范取值对比(t = 05:00, 2020.03.31).

图11 中腹板温度梯度与欧洲规范取值对比(t = 08:00, 2020.04.27)

结果显示，对于赣江特大桥而言，中腹板位置处顶板与腹板的最大正温差为4.4℃，边腹板位置处顶板与腹板的最大正温差为10.9℃，均小于欧洲规范的计算值为16℃。

中腹板位置处顶板与腹板的最大负温差为5.0℃，由于欧洲规范关于负温梯的规定与实际差别较大，如图12所示，故其计算结果未予示出。

值得注意的是，现行规范只规定了组合梁顶板与腹板之间温度差值的计算方法，并没有规定当钢箱梁底板与腹板温度出现差异时该如何处理。

图12 Eurocode 4关于组合梁负温梯的计算规定

  三

研究结论

（1）在环境温度作用下，由于箱梁内外温差的存在，钢箱组合梁断面上不仅会在顶板与腹板间出现温度梯度，而且在腹板与底板间也会出现温度梯度，但现行的规范并未就底板的正负温梯作出相应规定。

（2） 轨道板对钢箱组合梁的温度场分布规律有着重要影响，特别的，对于单箱多室等具有多道腹板的钢箱组合梁，由于轨道板对环境温度与主梁之间热交换的阻滞效应，在同一时刻，边腹板和中腹板处断面的竖向温度梯度模式存在显著差异。

（3） 风速会加剧钢箱组合梁表面与环境之间的热交换速率，特别是当梁体内部温度高于环境温度时，风速越大，在梁体断面上会产生更大的温度梯度。

（4） 本文研究了环境温度变化和风速对铁路无砟轨道钢箱组合梁温度场三维时变温度场变化规律的影响，关于太阳辐射的影响还有待进一步研究。

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知识点：基于现场实测的无砟轨道箱形钢–混组合梁时变温度场分布规律研究

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