第３３卷第１期２０铁道学报Ｖ０１．３３Ｎｏ．１２０１１１１年１月ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＴＨＥＣＨＩＮＡＲＡＩＬＷＡＹＳＯＣＩＥＴＹＪａｎｕａｒｙ文章编号：１００１—８３６０（２０１１）０１—００９４—０７桥梁结构空心构件梯度温度参数研究林迟１，欧进萍１’２（１．哈尔滨工业大学深圳研究生院，广东深圳５１８０５５；２．大连理工大学土木水利学院，辽宁大连１１６０２３）摘要：目前我国铁路、公路桥梁规范均未考虑南北气候差异对桥梁温度作用的影响，对降温温度梯度曲线的规定也较粗略。针对上述不足，结合哈尔滨４０年（１９６３～２００２年）及广州ｌＯ年（１９９７～２００６年）的气象资料，通过分析气象资料和建立有限元模型，对大型桥梁空，ｆｉ，构件日照升温和寒流降温梯度温度参数进行分析研究。对日照升温温度作用，为区分不同地区温度作用的差异，提出其温差极值的预测公式并加以简化，可为建立温度作用分区提供参考依据；对寒流降温温度作用，定性分析壁厚对温差极值和温度梯度曲线的影响，并提出温差极值预测公式。结果表明：哈尔滨地区的日照升温温差极值为３５℃，广州地区为２０℃，两地温度作用相差较大，有必要考虑气候的影响并建立温度作用分区；寒流降温温度作用对构件的影响深度在０．６ｍ左右，随着壁厚的增加温差曲线指数相应减小。关键词：大型桥梁；空心构件；温度作用；极值预测公式ｆ温度梯度曲线中图分类号：Ｕ４４１．５文献标志码：Ａｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－８３６０．２０１１．０１．０１６ＳｔｕｄｙｏｎＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＧｒａｄｉｅｎｔＰａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆＨｏｌｌｏｗＭｅｍｂｅｒｓＬＩＮＣｈｉｌ。ｏｆＢｒｉｄｇｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅＯＵＪｉｎ—ｐｉｎ９１·２Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ－Ｓｈｅｎｚｈｅｎ５１８０５５－Ｃｈｉｎａ；１（１．ＳｈｅｎｚｈｅｎＧｒａｄｕａｔｅＳｃｈｏｏｌ，ＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆ２．ＤａｌｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ。Ｄａｌｉａｎ１６０２３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｔｐｒｅｓｅｎｔ－ｔｈｅｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｂｒｉｄｇｅｓｏｆｒａｉｌｗａｙｓａｎｄｈｉｇｈｗａｙｓｐｒｅｖａｉｌｉｎｇｉｎｃｈｉｎａｄｏａｃｃｏｕｎｔｎｏｔｔａｋｅｉｎｔｏｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｎｏｒｔｈａｎｄｓｏｕｔｈｃｌｉｍａｔｅｓｃｕｒｖｅｓｏｎｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｃｔｉｏｎｏｆｂｒｉｄｇｅａｎｄｉｎｓｔｅａｄｐｒｏｖｉｄｅｒｏｕｇｈｌｙｄｅｆｉｎｅｄｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｓａｂｏｕｔｏｆｆａｌｌｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｇｒａｄｉｅｎｔｓ．Ｉｎｖｉｅｗｏｆｔｈｅｂｏｖｅｄｅｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓ。ｂｙａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌｄａｔａｏｆＨａｒｂｉｎ（１９６３～２００２）ａｎｄＧｕａｎｇｚｈｏｕ（１９９７～２００６）ａｎｄｂｙｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌ，ｔｈｅｐａｐｅｒｓｔｕｄｉｅｄｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｇｒａｄｉｅｎｔｓｏｆｈｏｌ—ｌｏｗｍｅｍｂｅｒｓｏｆｌａｒｇｅ—ｓｃａｌｅｂｒｉｄｇｅｓｇｅｎｅｒａｔｅｄｉｎｄａｙｌｉｇｈｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｉｓｉｎｇａｎｄｃｏｌｄ—ｗａｖｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆａｌｌｉｎｇ．Ｉｎｒｅｓｐｅｃｔｏｆｔｈｅｄａｙｌｉｇｈｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｉｓｉｎｇａｃｔｉｏｎ，ｔｈｅｅｘｔｒｅｍｕｍｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｆｏｒｍｕｌａｆｏｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｆｆｅｒ—ｅｎｃｅｉｓｐｕｔｆｏｒｗａｒｄａｎｄｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ，ｗｈｉｃｈｃａｎｂｅｕｓｅｄｔＯｄｉｓｔｉｎｇｕｉｓｈｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｃｔｉｏｎｓｉｎｄｉｆ—ｆｅｒｅｎｔａｎｄｐｒｏｖｉｄｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｃｔｉｏｎｚｏｎｅｓ．Ｉｎｒｅｓｐｅｃｔｏｆｔｈｅｃｏｌｄ—ｗａｖｅｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆａｌｌｉｎｇａｃｔｉｏｎ，ｑｕａｌｉｔａｔｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓｉｓｍａｄｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｅｘｔｒｅｍａａｎｄｔｈｅｃｕｒｖｅｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｔｈｅｐｉｅｒｗａｌｌｏｎｔｈｅｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｇｒａｄｉｅｎｔｓａｎｄｔｈｅｅｘｔｒｅｍｕｍｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｆｏｒｍｕｌａｆｏｒａｓｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｉｓｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ．Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓｅｎｃｅｆｏｌｌｏｗｓ：ｔｈｅｅｘｔｒｅｍｕｍｏｆｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｆｆｅｒ—ｉｎｄａｙｌｉｇｈｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｉｓｉｎｇｉｓ３５℃ｆｏｒＨａｒｂｉｎＡｒｅａａｎｄ２０。ＣｆｏｒｔｈｅＧｕａｎｇｚｈｏｕＡｒｅａ。ｔｈｅｒｅｆｏｒｅｉｔｉｓｔｏｎｅｃｅｓｓａｒｙｃｏｎｓｉｄｅｒｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｃｌｉｍａｔｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎａｎｄｓｅｔｕｐｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｃｔｉｏｎｚｏｎｅｓ；ｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｔｈｅｗａｌｌｏｆｍｅｍｂｅｒｓａｆｆｅｃｔｅｄｂｙｔｈｅｃｏｌｄ—ｗａｖｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆａｌｌｉｎｇａｃｔｉｏｎｉｓａｂｏｕｔ０．６ｍａｎｄｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｄｅｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｏｆｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｔｈｅｗａｌｌｏｆｍｅｍｂｅｒｓ．ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｆｏｒｍｕｌａ；ｃｕｒｖｅｏｆＫｅｙｗｏｒｄｓ：ｌａｒｇｅ—ｓｃａｌｅｂｒｉｄｇｅ；ｈｏｌｌｏｗｍｅｍｂｅｒ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｃｔｉｏｎ；ｅｘｔｒｅｍｕｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｇｒａｄｉｅｎｔｓ收稿日期：２００８—１２—２２：修回日期：２００９—１２—１１基金项目：国家自然科学基金项目资助（５０５３８０２０）；国家重点基础研究发展计划（９７３计划）（２００７ＣＢ７１４２０２）。作者简介：林迟（１９８３一），男，博七研究生。Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｎｃｈｉＯＯ＠ｍａｉｌｓ．ｔｓｉｎｇｈｕａ．ｅｄｕ．ｃｎ万方数据第１期桥梁结构空心构件梯度温度参数研究９５大型桥梁空心构件内部通风条件差，而混凝土的热传导性能又低。在气温骤变时，空心构件内外表面存在温差，截面由于温度变形受到约束产生温度应力。桥梁结构由于日照或寒流等温度变化，产生的温差应力较大，有的部位可与车辆荷载产生的应力相当［１］。预应力混凝土桥梁温度应力试验研究表明［２］，温度应力已成为混凝土桥梁结构产生有害裂缝的主要原因之一，因此设计中应予以重视。我国南北各地气候骤降的程度不同，西北较大，中南较小，文献［１，３］暂未考虑其对桥梁温度作用的影响；由于国内尚未进行系统的桥梁温度场观测，文献［４—５］中温度作用的概率模型与极值，缺乏实测数据而参考美国ＡＡＳＨＴＯ规范的取值，也未考虑气候差异对温度作用的影响，不管东西南北而采用同一温度模式。在寒潮降温时，由于其温度变化较Ｅｌ照升温缓慢，两者的温度梯度不应相同，但公路桥规并未区分两者的差异，铁路桥规的相关规定也较粗略。要弥补现行桥规的上述不足，需要各地区数十年的温度作用观测数据，目前国内收集的实测数据还无法满足要求，因而通过气象数据结合热传导理论推导温度作用极值便成为解决该问题的有效方法。本文结合哈尔滨（１９６３～２００２年）及广州（１９９７～２００６年）地区的气象数据，提出并简化温度作用温差极值的预测公式，来区分不同地区温度作用的差异，同时结合现有的研究成果和通用有限元软件ＡＮＳＹＳ，对大型桥梁空心构件日照升温和寒流降温下梯度温度参数的取值进行分析研究。１日照梯度温度参数取值研究影响桥梁结构日照温度作用的主要因素是太阳辐射、气温变化和风速［６］。近３０年来，国内外的研究人员基于工程热传导理论和现场实测数据，对桥梁结构在太阳辐射作用下的温度分布特性、影响因素和分析方法做了许多研究工作［７］，构件在Ｅｔ照作用下沿截面高度的温度梯度模式研究已较为成熟。本文分析并简化日照温度作用温差极值的预测公式，其预测值可体现各地区气候差异对温度作用的影响，通过与实测数据进行比较修正，可为合理确立温度作用极值和建立温度作用分区提供参考依据。１．１研究现状及不足早期桥梁规范只考虑变化缓慢的年温差效应影响。上世纪７０年代至９０年代初期，随着计算机的发展，国内外研究人员开始通过编制有限元程序及进行万方数据试验对混凝土桥梁的温度作用进行研究。ＡＡＳＨＴＯ于１９８９年出版的公路桥梁规范［８３中将美国分成４个区域，并针对各区域给出相应的温度梯度取值。从９０年代至今，随着温度场理论的成熟，研究主要集中在对温度作用的取值及参数分析等方面。Ｂｒａｎｃｏ［９］和Ｒｏ—ｂｅｒｔｓ［１叼等人都曾利用气象数据结合热传导理论，对混凝土桥梁的温度作用取值进行比较分析。欧洲结构设计标准…３规定，温度作用的极值是重现期为５０年的作用值。虽然至今为止研究人员对桥梁结构的温度作用进行了长期实测，但还远达不到极值统计的要求。目前普遍的做法是利用当地实测气候条件，通过热传导理论和有限元程序考虑气候因素对桥梁温度作用的影响，再应用短期的现场实测数据校验数值解，进而进行统计分析。Ｐｏｔｇｉｅｔｅｒ等‘１２３曾提出几个基于太阳辐射、气温及风速的温度作用预测公式为（５０ｍｍ沥青混凝土铺装层）ＴＥＳ，Ⅳ７，口］＝１８．５（蒜一０．９）＋０．１６３（Ｔ矿’～１１．１）＋Ｅｚ７．５—４．９ｖ＋０．８４４ｖ２—０．０９８６ｖ３＋０．００５１５ｖ４］（１）式中，丁为日照温度作用的温差，℃；Ｓ为太阳日辐射量，ｋＪ／ｍ２；Ｔ矿＝ｔ。。。一ｔ。ｉ。，℃。其中，ｔ。。。为日最高气温，ｔ。ｉ。为日最低气温；口为吸热系数；ｕ为风速。Ｒｏｂｅｒｔｓ［１叩等曾应用这些公式对ＳａｎＡｎｔｏｎｉｏ的气候数据进行了分析。影响桥梁结构日照温度作用的主要因素是太阳辐射强度、气温变化和风速。而从设计控制温度作用来考虑，由于结构表面达到最高温度时，风速实际上很小，因此可以忽略风速这个因素的影响，简化为太阳辐射和气温变化这两个因素口Ｊ］。为此文献［１０７提出简化的预测公式为ｒＥｓ，丁ｙ］＝口ＴＶ。ｏｄ＋ｂ（Ｓ—ｃ）（２）式中，ＴＫｏａ为Ｅｔ最高温度与３日平均温度的差值；ａ、参数的取值影响很大。我国ＴＢｌ０００２．３—２００５《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》［１］建议在计算桥梁结构由于梯度温度引起的效应时，采用图１的竖向温度梯度曲线，表达式为Ｌ＝Ｔｏｅ～融（３）差；ｐ为温差曲线系数。各参数按表１取值。ｂ．ｃ为影响系数。虽然式（２）相对式（１）较为简单，但各系数需要通过数据拟合得到，因此数据的选择对式中，Ｔ，为计算点Ｙ处的温差；Ｔｏ为箱梁梁高方向温铁道ＴＩｌＩ叫Ｉ上图ｌ竖向温度梯度表１竖向日照正温差计算的卢与１’。值我国ＪＴＧＤ６０～２００４《公路桥涵设计通用规范》［５１采用文献Ｅ８３的温度梯度曲线，并作适当修改。但与铁路桥规类似，在内外表面温差极值的取值上，由于缺乏实测数据，并没有针对我国的实际情况建立温度作用概率模型，而是参考美国规范的取值，但却没有像美国规范一样建立温度作用分区。１．２日照温度作用极值预测公式空心构件日照温度作用的主要影响因素是太阳辐射和构件内外表面空气温差。为得到日照温度作用的温差极值并对比全国各地区的温度作用，参考式（２），从安全和实用角度考虑，提出日照温度作用温差极值的预测公式丁［Ｓ，Ⅳ］。＝口ＴＶ。＋鹚。＋ｃ（４）式中，Ｌ为日照温度作用竹年重现期的温差极值，℃；Ｓ。为重现期为行年的太阳日辐射量，ｋＪ／ｍ２；ＴＵ为重现期为ｎ年的日最高气温与２Ｅｔ滑移平均值差，℃。式（４）直接应用ＴＶ和Ｓ的极值来求解温差Ｔ的极值。当构件出现较大的内外温差Ｔ时，ＴＶ和Ｓ值也应处于极大值，从控制温度作用来考虑，可以将ＴＶ和Ｓ值分开求极值。因此，应用式（４）可减少计算工作量，同时计算结果仍具有较高的可靠性和实用性。参数ａ、ｂ可通过对气象数据和实测温差数据进行参数拟合得到。考虑到ａ、ｂ只是反映ＴＶ和Ｓ值对丁贡献的大小，不同地区的实测数据理论上对ａ、ｂ的拟合结果影响不大。对缺乏实测数据的地区，可参照气候相近地区或文献Ｅ１０３所给的参数取值，预测公式为丁［Ｓ，丁ｙ］。一０．９ＴＶ。＋０．５６Ｓ。一６．７（５）气温数据相比太阳辐射数据，具有记录年限长、可靠性高的优势。太阳日辐射量较大时，气温变化也应较大，两者极值有一定的相关性。通过分析气温与太阳辐射数据，寻找两者的对应关系，便可对式（４）进行简化。万方数据学报第３３卷１．２．１日最高气温与２日气温滑移平均值差Ｅｍｅｒｓｏｎ［１朝研究发现在预测众多桥梁上部结构轴向伸缩时，２日气温滑移平均值是一个很好的参考值，定义为ｔｍＨｎ．ｔ２０．２５（￡。。。＋ｔ。ｉｎ．ｉ＋ｔ。。，．，ｌ＋ｔ。ｉ。．－１）（６）式中，ｔ。。。。。。为２日气温滑移平均值；ｔ。。。为第ｉ日最高气温；ｔ。ｉｎ＇；为第ｉ日最低气温；ｔ。。“一。为第ｉ一１日最高气温；ｔ。ｉ。卜。为第ｉ一１日最低气温。Ｃｌａｒｋ［１４１指出箱梁内部气温一天的变化幅度较小，可以等同于２日气温滑移平均值，并用该值与日极值气温差作为预测箱梁梯度温度效应的参考值。因此，本文把２日气温滑移平均值近似为空心构件内部气温，认为其与外表面的最高气温差可用来表征构件内外表面气温差对日照温度作用的影响。１．２．２太阳日辐射强度Ｓ太阳辐射作为产生梯度温度的主要因素之一，夏季的影响更大，本文利用太阳日辐射量来表征太阳辐射对日照温度作用的影响。若气温与太阳辐射存在对应关系，便能明显减少极值预测时对气象数据的需求。Ｃｌａｒｋ［１４］认为在夏季，ＴＶ的大小与Ｓ直接相关；Ｒｏ—ｂｅｒｔｓ［１０］的研究结果表明在ＳａｎＡｎｔｏｎｉａ，大部分情况下１．８倍的Ｅｔ气温变化幅值与Ｓ有着相同的变化趋势。由于缺乏太阳辐射数据，考虑到太阳辐射与气温变化的相关性，其平均值也能反映两者的对应关系，以哈尔滨和广州地区部分年月（太阳日辐射较大的月份）数据的月平均值对两种说法进行检验。（１）太阳日辐射强度与ＴＶ的关系实测表明，日照温度作用温差极值出现在夏季太阳辐射较大的月份。选取哈尔滨与广州地区１９９６～１９９８年太阳辐射较大的月份，其太阳日平均辐射强度Ｓ和“日最高气温与２日滑移平均值差”的均值丁Ｕ。。见表２～表３。哈尔滨地区两者比值的变化范围在２．９～４．５ＭＪ／（ｍ２·℃）之间，广州地区两者比值的变化范围在３．５～４．１ＭＪ／（ｍ２·℃）之间。对两者取各月份的极值进行比较：哈尔滨地区比值的变化范围在３．３＂－３．９ＭＪ／（ｍ２·℃）之间，广州地区在３．７～４．０ＭＪ／（ｍ２·℃）之间。表２哈尔滨１９９６～１９９８年５～７月Ｓ与ｗ。。值第１期桥梁结构空心构件梯度温度参数研究９７表３广州１９９７～１９９８年７～９月ｓ与Ｔｙ—。值注：太阳辐射数据由中国科学院地理科学与资源研究所提供。（２）太阳日辐射强度与气温变化幅值的关系哈尔滨与广州地区１９９６～１９９８年太阳日平均辐射量和日气温变化平均值ｍ。。见表４～表５。哈尔滨地区两者比值的变化范围在１．５～２．２ＭＪ／（ｍ２·℃）之间，广州地区在１．８～２．３ＭＪ／（ｍ２·℃）之间。造成该现象主要原因是哈尔滨气候较为干燥，日温差变化较广州大。对两者取各月份的极值进行比较：哈尔滨地区比值的变化范围在１．６～１．９ＭＪ／（ｍ２·℃）之间，广州地区在１．８～２．０ＭＪ／（ｍ２·℃）之间。表４哈尔滨１９９６～１９９８年５～７月Ｓ与ＴＡ—。值表５广州１９９７～１９９８年７～９月Ｓ与ＴＡ—。值分析结果表明，丁Ｖ和ＴＡ都能反映太阳辐射量的变化，两者精度近似。但此处考虑的是变量极值间的对应关系，受气候影响，有时会出现当月太阳辐射量相对往年同月份较小，但ＴＶ较大的情况。其原因是强降温天气的出现导致２日的滑移平均值降低，次日太阳辐射仍较大时丁Ｖ便会出现极值，因此ＴＶ值受气候变化的影响较大。相比之下日气温变化受气候影响较小，且所需计算量较小，能较好地反映太阳日辐射量的变化。因此本文认为日气温变化幅值也可用于表征太阳辐射对日照温度作用的贡献，受地理环境和气候条件的影响，两者比值大小各地略有不同。１．２．３简化的日照温度作用预测公式万方数据由１．２．２节的分析结果，采用日气温变化幅度极值代替太阳日辐射量极值，式（４）可转化为Ｔ［ＴＡ，Ⅳ］。一ｎＴＶ。＋ｂＴＡ。＋ｃ（７）式中，ＴＡ为日气温变化值。此时，只需气温数据便可对温差极值丁进行预测，减少了公式对太阳辐射数据的依赖。对缺乏实测数据的地区，可参照气候相近地区或文献［１０］所给的参数取值，预测公式为Ｔ［ＴＡ，Ⅳ］。＝０．９丁ｙ。＋（Ｏ．５６ｄ）ＴＡ。一６．７（８）式中，ｄ为太阳日辐射量极值与日气温变化幅度极值的比值。１．３哈尔滨、广州地区日照温度作用预测以哈尔滨、广州为例，应用预测公式对两地的日照温度作用进行预测。由于桥梁温度作用实测数据较少，本文采用式（８）计算。考虑日照温度作用在夏季较大，此处仅对夏季的数据进行分析。１．３．１哈尔滨日照温度作用预测参考欧洲结构设计标准Ｈ妇规定，温度作用的极值取重现期为５０年的作用值。应用哈尔滨市气象台提供的１９６３～２００２年共４０年的气温数据对该地区的日照温度作用进行预测。由１．２．２节的分析结果，该地区的太阳日辐射量极值与日气温变化幅度极值近似成比例，比值变化范围在１．６～１．９ＭＪ／（ｍ２·℃）之间。本文取１．８ＭＪ／（ｍ２·℃）计算，此时式（８）转化为丁［ＴＡ，ｒ矿］５。＝０．９丁矿５０＋ＴＡ５０一６．７（９）式中，ＴＡ。。为重现期为５０年的日气温变化幅值。采用广义极值分布拟合ＴＡ、ＴＶ的各年极值。广义极值分布的分布函数为ｙ＝ｆ（ｘ…胪）＝吉ｅｘｐ（一（１＋志宁）‘）ｘ土一１ｆ１＋ｋ￡型１一＼ｌ＋ｋ￡坐＞０（１０），对哈尔滨夏季气象数据应用ＭＡＴＬＡＢ进行参数拟合，可得尼Ｔｖ一一０．２６３ｔＹＴＶ＝１．０４６卢Ⅳ＝１３．８７５ｋｒｎ一一０．２３９ａＴＡ＝１．６８４ｔＺＴＡ＝２３．０２４对拟合结果进行Ｋ－Ｓ检验，结果表明两者均服从极值分布。由以上分析结果得：ＴＫ。＝１６．４。Ｃ，ＴＡ。。一２７．３。Ｃ。代入式（９），可得哈尔滨地区日照温度作用温差极值ＴＥＴＡ，Ⅳ］５０—３５℃１．３．２广州日照温度作用预测由于只具有广州地区１９９７～２００６年共１０年的温度数据，将其应用于极值统计分析并不理想，但计算结９８铁道果仍可在一定程度上反映两地的气候差异。对广州地区夏季气象数据应用ＭＡＴＬＡＢ进行参数拟合，可得ｋｒｖ＝一０．３４８ｄⅣ＝０．５３８／－ｔｒｙ＝８．８８３ｋｖａ＝一０．８１０盯ＴＡ一０．８９７ｌｉｒａ＝１６．０２５由以上分析结果得：ＴＫ。＝１０．０＂Ｃ，ＴＡ；。＝１７．１℃。由１．２．２节的分析结果，该地区的太阳日辐射量极值与日气温变化幅度极值比值变化范围在１．８～２．０ＭＪ／（ｍ２·℃）之间。取１．９ＭＪ／（ｍ２·℃）进行计算，此时广州地区日照温度作用温差极值为ＴｒＴＡ，丁ｙ］５。＝２０℃预测结果须与温度作用实测数据进行对比验证，但由于是对各变量的年极值进行分析，若干年的实测数据无法满足验证对比的要求，因此很遗憾目前还无法进行这一工作。但预测公式是建立在前人研究实测的基础上，有其理论基础，预测值能反映不同地区温度作用的差别，结合短期实测数据和热传导理论进行修正后，可作为建立温度作用分区的依据。由表１可见，对有砟桥面，文献［１］建议的温度作用Ｔ。取值为２０℃；对无沥青铺装层，文献［４］建议的温度作用Ｔ，（等同于本文所求的Ｔ∞）取值为２５℃。计算结果表明，哈尔滨地区日照温度作用的温差极值可达３５℃，而广州地区仅为２０℃，可见对大型桥梁，南北气候差异的影响不容忽视。现行桥规对温度作用的相关规定还不完善，因此有必要针对我国的实际情况对桥梁日照升温温度作用的设计值进行研究改进，考虑不同地区的气候差异对温度作用的影响，建立温度作用分区。２寒流降温梯度温度参数取值研究桥梁空心构件产生负温差的主要原因是寒流降温和日照降温，两者均可使构件外表面温度迅速下降而内表面温度变化较小，形成内高外低的梯度温差。相对日照降温，寒流降温产生的温差较大，本文以壁厚较大的空心桥墩的寒流降温温度梯度参数作为研究对象。２．１研究现状及不足空心格墩是轻型桥墩的一种，具有圬工量少、自重轻的优点，目前国内６０１ＴＩ以上的高墩，大部分为空心桥墩。但空心桥墩由于墩内通风条件差，加以混凝土导热性能低，在气温突变时，墩壁内外产生温差，使墩壁内外变形不协调，从而在墩壁产生外约束和内约束温度应力［１５］。万方数据学报第３３卷文献Ｉ－ｉ］规定箱梁沿顶板、外腹板板厚温差曲线的指数采用１４，相应的Ｔ。采用一１０℃。文献［５］虽然对桥梁上部结构和带混凝土桥面板钢结构的竖向日照反温差作相关说明，但只是简单规定竖向日照反温差为正温差乘以一Ｏ．５，并未对温度梯度模式做相应调整，也未提及寒流降温温差。另外目前桥规并无针对桥墩温度作用的规定，其取值参考箱梁温度作用的取值。文献［１６］根据统计资料，建议当墩壁厚度为０．５～ｏ．７ｍ时，计算降温温差可取极值Ｔ。＝１０℃，东北地区可加５℃。由于寒流降温速率较日照升温速率小，且桥墩壁板较厚，因此寒流降温引起空心墩沿壁板厚度方向的温度分布曲线较平坦，产生的负温差也大于箱梁。本文提出寒流降温温度作用极值的预测公式，并通过ＡＮＳＹＳ分析壁厚对空心桥墩寒流降温温度作用的影响分析，对现有温度梯度模式的适用性进行定性讨论。２．２寒流降温温度作用预测参考日照升温作用预测公式，对寒流降温温度作用的取值进行预测。与日照升温温度作用不同，寒流降温只和大气温度变化有关。由于缺乏实测资料且国内外对寒流降温温度作用研究较少，此处仅给出最大负温差丁的预测公式为Ｔ［ＴＡ］。＝ａＴＡ。＋ｂ（１１）式中，ＴＡ。为，ｚ年重现期的寒流降温幅值。ａ、ｂ需通过对气象数据和温度作用实测数据进行参数拟合得到，通过热传导理论推导也是一种有效的方法，这是下一步工作的重点。此处暂不对此进行分析，仅考虑壁厚对寒流降温温差和作用深度的影响，对寒流降温的温度梯度模式进行定性分析。２．３壁厚的影响壁厚越大，寒流降温产生沿壁厚的温差就越大。但随着壁厚的增大，该影响逐渐减弱。本文通过建立有限元模型，分析壁厚对寒流降温产生的负温差和温度梯度模式的影响。２．３．１建立有限元模型（１）有限元模型及材料属性以矩形空心桥墩为例进行分析。为提高计算效率，考虑到只分析壁厚对寒流降温效应的影响，建立有限元简化模型，见图２。采用ＰＩ。ＡＮＥ７７单元进行网格划分，横轴为桥墩壁厚方向，纵轴为其高度方向。文献７１７］总结国内外现有文献所给出的混凝土热物理性质的数值和变化范围，见表６。第１期桥梁结构空心构件梯度温度参数研究歹ｊ６１秀√√—一‘卅崩图２模型及网格划分表６混凝土热物理性质取值参考数据ｍ１１．１６￣３．５１．５５１．７ｏ．４２￣１．７４（Ｊ．患搿＿１）８８２～１０５０８７９～１０９。８４。８４。９２０～Ｉ０５０研究结果表明［１７删，混凝土的热物理性质对混凝土箱梁的温度场影响较小，相应的对桥墩影响也应较小。本文取混凝土的导热系数为２Ｊ／（１ＴＩ·ｓ·ｋｇ），比热容为９００Ｊ／（ｋｇ·Ｋ），混凝土密度取为２４００ｋｇ／ｍ３。（２）边界条件应用ＡＮＳＹＳ对混凝土分析空心桥墩寒流降温所产生的温度场进行分析，主要影响因素是箱内外的温度差、对流表面换热系数和初始条件。由于寒流降温速率相对日照升温慢，历时较长，初始条件对其影响相对较小，因此选择线性分布的温度场为初始条件。分析哈尔滨地区的气象数据，１９８１年５月２日该地区曾出现一次大的降温，降温幅度高达２７．５℃。以此次降温作为背景对空心墩寒流降温产生的温度场进行简化分析，墩内气温变化较小设为定值（通过式（６）求得），墩外大气降温历程见图３。筋加：２ｍ、趟赠扩Ｋ５０Ｏ，Ｏ２０３０４０５０时间／ｌｌ图３大气降温历程万方数据对于混凝土表面总热交换系数ｈ，现有文献对其取值尚未统一。研究表明，该系数主要与风速有关，一般可取为风速口的线性关系。参考相关文献［１７—１９３，本文选用以下公式进行计算（单位：Ｗ／（ｍ２·Ｋ））墩外：ｈ＝３．０６ｖ＋９．５５（１２）墩内：ｈ一５．５Ｗ／（ｍ２·Ｋ）（１３）２．３．２计算结果及分析在给定的初始条件和大气降温历程作用下，３０ｃｍ、５０ｃｍ、７０ｃｍ和９０ｃｍ壁厚的空心桥墩寒流降温温度梯度分析结果见图４，由图４可得：１７１５１３基·，赠９７５００．２Ｏ．４０．６０．８１．０空心墩沿壁厚方向，ｍ＋５０—·一３０ｃｍ（计算值）；——日一３０ａｍ（指数分布）：ｃｍ（计算值）：——击一５０—★一７０ｃｍ（计算值ｊ：—嘈一７０ｃｍ（指磐分市）；ｃｍ（指数分布）；—·一９０ｅｒａ（计算值）；—奇一９０ｃｍ（指数分布）。图４不同壁厚空心桥墩寒流降温温度梯度（１）作用深度：在２℃／ｈ的寒流降温速度作用下，混凝土空心桥墩距外表面０．６ｍ内的区域温差较大，其它区域温差较小，可认为只在距外表面０．６ｍ的范围内存在梯度温度。（２）温差曲线：沿壁厚的温差分布可用指数曲线表示，即ｔ＝Ｔｏｅ－皇。对于指数Ｂ的取值，文献［１１认为对于壁厚为７０ｃｍ的空心墩，卢≈５；文献［６］建议寒流降温时，该系数取１２。本文取卢一８并将曲线与ＡＮＳＹＳ计算结果进行对比，见图４。可见随空心墩壁厚的增加，模拟的温度分布曲线趋于平坦，ｐ值也应相应减小。对于壁厚为９０ａｍ的空心墩，指数辟６。￡越赠Ｋ嚼空心墩壁厚，ｍ图５不同壁厚空心墩寒流降温内外表面温差（３）壁厚的影响：随着壁厚的增大，寒流降温引起的负温差增大，见图５。但随着壁厚的增大，温差增大（Ｊ．帮聪）＿１）１．４￣１．６１００铁道的速度逐渐减慢，趋于稳定，这与现有研究成果吻合‘州６｜。３结论结合哈尔滨和广州地区的气象资料，在现有研究成果的基础上，本文通过建立有限元模型，对桥梁空心构件日照升温和寒流降温的温度梯度参数分别分析研究，得到以下主要结论。（１）对日照升温温度作用，为弥补现有桥梁规范的不足，体现不同地区气候差异对温度作用的影响，本文提出日照温度作用温差极值的预测公式，可用于建立温度作用分区。（２）通过分析日气温变化与太阳辐射强度的相关性，对预测公式加以简化：太阳日辐射量极值与日气温变化幅度极值近似成比例，哈尔滨地区两者比值变化范围在１．６～１．９ＭＪ／（ｒｎ２·℃）之间，广州地区比值变化范围在１．８～２．０ＭＪ／（ｍ２·℃）之间；应用简化的预测公式求得哈尔滨地区的极值温度作用为３５℃，广州地区为２０℃，因此现有桥规有必要考虑气候的影响并建立温度作用分区。（３）对寒流降温温度作用进行定性分析，提出其温差极值预测公式，结果表明降温作用的影响深度在０．６ＩＴＩ左右，指数曲线（Ｌ＝Ｔ。ｅ一肛）可用于表示温度沿壁厚的分布，且随着构件壁厚的增加，曲线指数ｐ相应减小。对于壁厚为９０ｃｍ的空心墩，指数Ｊ９≈６。温度变形和温度应力在桥梁设计中占的比重较大，虽然研究人员在这方面已经取得大量研究成果，但现有桥规在温度作用取值方面仍存在许多不足，因此有必要继续开展深人研究以完善桥梁设计规范。参考文献：［１］中华人民共和国铁道部．ＴＢｌ０００２．３～２００５铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范Ｅｓ］．北京：中国铁道出版社，２００５．［２］刘兴法．混凝土桥梁的温度分布［Ｊ］．铁道工程学报，１９８５，（１）：１０７—１１１．［３］中华人民共和国铁道部．ＴＢｌ０００２．１—２００５铁路桥涵设计基本规范［ｓ］．北京：中国铁道出版社，２００５．［４］中华人民共和国交通部．ＪＴＧＤ６２－－２００４公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［Ｓ］．北京：人民交通出版社，２００４．［５］中华人民共和国交通部．ＪＴＧＤ６０－－２００４公路桥涵设计通用规范Ｉｓ］．北京：人民交通出版社，２００４．［６］项海帆．高等桥梁结构理论［Ｍ］．北京：人民交通出版社，万方数据学报第３３卷２００２．［７］叶见曙，贾琳，钱培舒．混凝土箱梁温度分布观测与研究［Ｊ］．东南大学学报（自然科学版），２００２，３２（５）：７８８—７９３．ＹＥＪｉａｎ－ｓｈｕ，ｊｉＡＬｉｎ，Ｑ１ＡＮＰｅｉ－ｓｈｕ．０ｌｂｓｅｒｖａｔｉｏｎａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈｏｎ．ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｎＣｏｎｃｒｅｔｅＢｏｘＧｉｒｄｅｒｓ［，Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｕｔｈｅａｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉ—Ｅｄｉｔｉｏｎ），２００２，３２（５）：７８８—７９３．［８］ＡＡＳＨＴＯ．ＡＡＳＨＴＯＧｕｉｄｅＳｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ，ＴｈｅｒｍａｌＥｆｆｅｃｔｓｉｎＣｏｎｃｒｅｔｅＢｒｉｄｇｅＳｕｐｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ［Ｓ］．Ｗａｓｈｉｎｇ—ｔｏｎＤＣ：ＡｍｅｒｉｃａｎＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎｏｆＳｔａｔｅＨｉｇｈｗａｙａｎｄＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎＯｆｆｉｃａｌｓ，１９８９．［９３ＢＲＡＮＣＯＦＡ，ＭＥＮＤＥＳＰＡ．ＴｈｅｒｍａｌＡｃｔｉｏｎｓｆｏｒＣｏｎ—ｃｒｅｔｅＢｒｉｄｇｅＤｅｓｉｇｎ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９３，１１９（８）：２３１３－２３３１．［１０］ＲＯＢＥＲＴＳＣＬ，ＢＲＥＥＮＪＥ，ＪＡＳＯＮＣ．ＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｏｆＴｈｅｒｍａｌＧｒａｄｉｅｎｔｓａｎｄＴｈｅｉｒＥｆｆｅｃｔｓＳｅｇｍｅｎｔａｌＣｏｎｃｒｅｔｅＢｒｉｄｇｅ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＢｒｉｄｇｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００２，７（３）：１６６—１７４．［ｎ］ＢｒｉｔｉｓｈＳｔａｎｄａｒｄ．ＢＳＥＮ１９９０：２００２．Ｅｕｒｏｃｏｄｅ—ＢａｓｉｓｏｆＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＤｅｓｉｇｎ［，Ｓ］．Ｌｏｎｄｏｎ：ＢｒｉｔｉｓｈＳｔａｎｄａｒｄｓＩｎｓｔｉｔｕ—ｔｉｏｎ，２００２．［１２］ＰＯＴＧＩＥＴＥＲＩＣ，ＧＡＭＢＬＥＷＬ．ＲｅｓｐｏｎｓｅｏｆＨｉｇｈｗａｙＢｒｉｄｇｅｓｔＯＮｏｎｌｉｎｅａｒＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ［Ｒ］．Ｕｒ—ｂａｎａ：ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＩｌｌｉｎｏｉｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔＳｔａ—ｔｉｏｎ，１９８３．［１３］ＥＭＥＲＳＯＮＭ．ＴｈｅｒｍａｌＭｏｖｅｍｅｎｔｓｏｆＣｏｎｃｒｅｔｅＢｒｉｄｇ—ｅｓ：ＦｉｅｌｄＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓａｎｄＭｅｔｈｏｄｓｏｆＰｒｅｄｉｃｔｉｏｎＩ－Ｊ］．ＡＣＩＰｕｂｌｉｃａｔｉｏｎＰＳ，１９８１，７０：７７—１０２．［１４］ＣＬＡＲＫＪＨ．ＥｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆＴｈｅｒｍａｌＳｔｒｅｓｓｅｓｉｎＣｏｎ—ＢｏｘＧｉｒｄｅｒＢｒｉｄｇｅ［Ｄ］．Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ：ＷａｓｈｉｎｇｔｏｎＵ—ｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，１９８９．［１５］王慧东．桥梁墩台与基础工程［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，２００５：６５—６８．［１６］盛洪飞．桥梁墩台与基础工程［Ｍ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，２００５：７５—７６．［１７］王毅．预应力混凝土连续箱梁温度作用的观测与分析研究［Ｄ］．江苏：东南大学，２００６．［１８］汪剑．大跨预应力混凝土箱梁桥非荷载效应及预应力损失研究Ｉ－Ｄ］．湖南：湖南大学，２００６．［１９］张建荣，刘照球．混凝土对流换热系数的风洞实验研究口］．土木工程学报，２００６，３９（９）：３９—４２．ＺＨＡＮＧＪｉａｎ－ｒｏｎｇ，ＬＩＵＺｈａｏ－ｑｉｕ．ＡＳｔｕｄｙｔｈｅＣｏｎ—ｖｅｃｔｉｖｅＨｅａｔＴｒａｎｓｆｅｒＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆＣｏｎｃｒｅｔｅｉｎＷｉｎｄＴｕｎｎｅｌＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔ［Ｊ］．ＣｈｉｎａＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＪｏｕｒｎａｌ，２００６，３９（９）：３９－４２．（责任编辑贾红梅）桥梁结构空心构件梯度温度参数研究
作者：作者单位：
林迟， 欧进萍， LIN Chi， OU Jin-ping
林迟,LIN Chi(哈尔滨工业大学深圳研究生院,广东深圳,518055)， 欧进萍,OU Jin-ping(哈尔滨工业大学深圳研究生院,广东深圳,518055;大连理工大学土木水利学院,辽宁大连,116023)
铁道学报
JOURNAL OF THE CHINA RAILWAY SOCIETY2011,33(1)
刊名：英文刊名：年，卷(期)：
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