2.2 钢管混凝土温度影响效应研究

2.2.1 钢管混凝土温度效应研究背景

桥梁事故调查表明，设计荷载作用下垮塌的桥梁，其垮塌时间大部分集中在低温时段，因此，温度对桥梁的作用是显著的，钢管混凝土桥梁也不例外。随着钢管混凝土桥梁向大跨度、高桥墩（塔）方向发展，温度作用对桥梁结构内力影响更加突出，但温度对钢管混凝土的影响效应计算方法等内容，国内外成果报道较少。钢管混凝土桥梁设计时，没有参考依据和指导意见，设计者要么不考虑温度作用，要么借鉴钢筋混凝土结构温度计算参数，缺乏合理性与科学性，不利于钢管混凝土桥梁高质量的发展需求。因此，研究温度对钢管混凝土桥梁性能的影响，形成温度作用计算理论与计算方法具有重要的理论意义与工程价值。

钢管混凝土由钢管与混凝土组合而成，材料组成具有非均匀性，特别是钢管与混凝土发生脱空后其截面传热路径更加复杂，截面温度分布具有典型的非线性、延迟性、方向性与区域性等特征，但目前没有现成的研究方法、研究成果可以借鉴，研究路径和方法缺乏。因此，为建立钢管混凝土温度作用研究基础理论和研究方法，针对钢管混凝土主拱、主梁、桥墩（塔）和钢管混凝土组合结构温度场及温度作用计算方法等内容开展了研究，取得的主要成果有：

（1）建立了钢管混凝土温度场及温度效应理论，为钢管混凝土桥梁温度场计算、测试和分析奠定了理论基础。

（2）通过不同管径、部位、环境和不同日照条件的钢管混凝土构件截面温度分布规律研究，提出了钢管混凝土及脱空钢管混凝土的非线性温度场，建立了钢管混凝土构件截面径向温度梯度函数与曲线，为钢管混凝土温度应力分析提供了依据。

（3）通过单圆管、哑铃形、桁式主拱和主梁、桥墩（塔）钢管混凝土的温度场对比研究，提出了钢管混凝土主拱、主梁、桥墩（塔）温度场，并建立了其温度作用计算方法。

（4）通过高寒、高热环境极端条件，对钢管混凝土与钢筋混凝土的组合拱、组合墩的截面温度场测试分析，提出了钢管混凝土组合结构温度场，建立了钢管混凝土组合结构温度作用计算方法。

在国家青年科学基金项目和四川省、福建省科学技术项目的资助下开展研究，解决了钢管混凝土桥梁常用主拱、主梁、桥墩（塔）和组合结构的温度效应分析关键技术难题。研究成果支撑了《钢管混凝土拱桥技术规范》（GB 50923—2013）和《公路钢管混凝土拱桥设计规范》（JTG/T D65-06—2015）等标准的重要条款的制定，已指导了主跨460m的重庆巫山长江大桥、主跨530m的四川合江长江一桥、主跨260m的四川广安奎阁嘉陵江大桥、主跨150m的福建西洋坪大桥和雅西高速公路干海子大桥、腊八斤大桥等10余座桥梁设计计算分析。

2.2.2 主要技术成果

2.2.2.1 钢管混凝土温度场及温度效应理论的建立

在复杂的钢管混凝土截面和紊乱的环境温度作用下，温度场变化规律难以用连续函数表示，无法得到精确的解析解。通过经典热传导理论 、有限元分析、构件初始条件、边界条件，以及对钢管混凝土构件沿长度方向没有热传导和材料各向同性的基本假定，建立了钢管混凝土构件温度场及温度效应理论，见表2-3。得到的温度场与温度效应理论经有限元分析验证，其标准差小于0.005。

2.2.2.2 钢管混凝土和脱空钢管混凝土非线性温度场与其计算方法的提出

基于足尺模型试验温度场实测数据及有限元分析，建立了钢管混凝土截面温度场：①钢管混凝土构件纵向温度分布均匀，符合基本假定；②钢管表面温度与环境温度变化同步，越靠近圆心温度变化越小、温度升降较表面延迟越明显；构件直径越大内部温度变化越延迟，截面最大温差越大；③无日照或日照较弱时，钢管表面温度与环境温度接近且呈均匀分布；日照强烈时，钢管阳面温度高于环境温度与阴面温度。根据测试结果，建立了沿构件截面径向温度梯度函数式［式（2-20）］与分布曲线（图2-7），提出了钢管混凝土构件温度场的计算方法。

脱黏钢管混凝土足尺模型试件温度场实测数据和有限元计算分析表明，无日照时（图2-8、图2-9），有脱黏与无脱黏构件钢管表面温度变化与气温变化趋势一致，有脱黏构件混凝土中心极值温度滞后更明显；有日照时（图2-10、图2-11），脱黏构件较无脱黏构件钢管表面温度差增大、混凝土中心处温度差减小，脱黏构件混凝土中心极值温度出现时间滞后于无脱黏构件。

钢管与混凝土脱黏后，钢管与混凝土之间的热传导由连续性导热转变成两者之间存在空气热阻的导热，脱空间隙越大，热阻值越大。脱空间隙对构件截面温度场影响规律如图2-12和图2-13所示，钢管表面温度变化趋势与环境温度一致；脱空间隙越大，钢管表面温度变化幅度越大，混凝土中心温度变化幅度越小，极值温度较环境温度延迟越明显。

2.2.2.3 钢管混凝土主拱、主梁、桥墩（塔）温度场与温度作用计算方法的建立

钢管混凝土桥梁结构与截面形式多样，构件布置方式不同，温度场差异大。通过单圆管、哑铃形、桁式主拱、主梁和桥墩（塔）钢管混凝土的温度场对比研究，提出了钢管混凝土主拱、主梁、桥墩（塔）温度场，建立了主拱、主梁与桥墩（塔）温度作用计算方法。

1）主拱温度场

通过主拱模型试验与有限元分析，揭示了单圆管、哑铃形、桁式主拱截面温度分布规律，对比了单圆管在不同主拱截面的温度场差异：①桁式主拱各主管平均温度与截面平均温度相差小；腹杆平均温度与气温变化规律一致，主管截面总平均温度滞后于气温变化（图2-14）；②横哑铃形两主管的竖向温度分布基本接近；③截面竖向温度分布中，竖哑铃形靠腹腔处温度与其余截面不同（图2-15）；④主拱各类截面平均温度变化规律接近，单圆管截面平均温度均略高于其余截面平均温度（图2-15、图2-16）；⑤单圆管、桁式主拱截面的温度分布规律一致，桁式主拱按单圆管主拱截面温度场计算。

揭示了钢管直径与表面辐射吸收系数对截面非线性温差分布的影响规律：钢管直径大，钢管表面与混凝土中心温差大（图2-17）；辐射吸收系数增大，钢管表面与混凝土中心温差大，且钢管表面增幅大（图2-18）。

2）主梁与桥墩（塔）温度场

采用钢管混凝土构件水平与竖直放置模拟主梁与桥墩（塔）进行温度场测试，得到主梁与桥墩（塔）温度分布规律：有日照时，横放与竖立试件截面温度变化规律基本相同，与环境温度变化一致，截面温度变化均具有明显的谐波特性，越靠近圆心，温度变化幅度越缓和；横放试件钢管表面和混凝土圆心极值温度低于竖立试件，最大温差高于竖立试件（图2-19）。无日照时，截面温度变化规律与有日照时相同，表面温度变化主要受环境温度影响；竖放与横放构件截面温度场一致（图2-20）。

相同日照时，主梁的温度峰值小于桥墩（塔）。主梁和桥墩（塔）构件表面出现最低温度的时间相同，且与气温较为接近，但主梁构件混凝土的中心温度峰值出现时间比桥墩（塔）早。

3）温度作用计算方法

（1）主梁与主拱。主拱与主梁为桁式结构的钢管混凝土，根据试验研究，揭示了温度场的分布具有以下规律：①计算体系温差引起的效应时，按当地最高和最低有效温度确定，温度变化值从结构合龙时起算，合龙温度为安装合龙形成超静定结构时的环境温度；②哑铃形或桁式结构按上、下主管温差5~8℃计算；③单管主拱（或主梁）截面温差效应的温度梯度曲线和哑铃形或桁式主拱（或主梁）上、下主管温差效应的温度梯度曲线如图2-21和图2-22所示， T ₁ 、 T ₂ 按表2-4取值。

（2）桁式结构桥墩（塔）。经过不同场景实桥测试总结，钢管混凝土桁式桥墩（塔）的温度场具有以下规律：①计算体系温差引起的效应时，按当地最高和最低有效温度确定，温度变化值从主梁合龙时的环境温度起算；②桁式墩温度梯度，按照左右缘温差，浅色取4℃，深色取6℃计算。

2.2.2.4 钢管混凝土组合结构温度场与其温度作用计算方法的建立

钢管混凝土组合结构是以钢管混凝土为骨架、外包钢筋混凝土而形成，受外包钢筋混凝土影响，其温度场与钢管混凝土结构差异较大，因此，采取高寒和高热环境极限条件下对钢管混凝土组合拱、组合桥墩（塔）截面温度场进行测试，建立了钢管混凝土组合结构温度场和温度作用计算方法。

寒流降温时钢管混凝土组合结构温度变化规律：越靠近钢管混凝土圆心，温度变化幅度越小，随构件半径增大，圆心受大气温度影响滞后越明显（图2-23）；腹板受寒流影响变化较大，内侧温度变化滞后外侧（图2-24）。

根据试验实测数据分析和论证提出了钢管混凝土组合截面径向温度梯度、截面腹板沿厚度方向温度梯度曲线（图2-25、图2-26），建立了温度梯度函数关系式。

钢管混凝土截面径向温度梯度函数为

腹板沿厚度方向温梯度函数为

高热环境条件下钢管混凝土截面对太阳辐射敏感，外表面随着大气温度的变化而变化，呈现正弦曲线变化；管内混凝土中心受大气温度影响小；太阳辐射强，钢管外表面与管内混凝土中心温差大；太阳辐射弱，整个截面温度场分布较均匀（图2-27、图2-28）。

通过试验研究与模拟计算，提出了组合结构温度作用计算方法：①计算体系温差引起的效应时，按最高和最低有效温度确定，温度变化值从结构合龙时起算；②组合墩的温度梯度，按照左右缘温差5℃计算。

2.2.3 科研成果工程应用

钢管混凝土拱桥、钢管混凝土组合桥墩（塔）、钢管混凝土梁桥等桥梁，采用钢管混凝土作为主拱、主梁、桥墩（塔）和劲性骨架成拱法的钢筋混凝土拱桥等结构工程，不断向桥墩（塔）更高、主梁更长、主拱跨度更大等方向发展；桥梁建设条件向高原山区和崇山峻岭的地形延伸，桥梁承受温度效应影响更加显著，充分应用研究成果指导工程建设，根据工程建设，发现温度效应影响新课题，开展深入持续研究，对完善钢管混凝土桥梁温度效应成果具有重要价值和工程意义。 t+hwTtElZ2lsAKSCZqwGd4dRytwZlM2UVnSKPiOz++rF6c3OFU8pstg/pt8Dl8br