跨海大桥钢箱梁温度场特性分析及降温措施研究_章李刚.pdf

第 卷第 期重 庆 交 通 大 学 学 报（自 然 科 学 版）年 月 （）：跨海大桥钢箱梁温度场特性分析及降温措施研究章李刚，陈仲江，吴 博，吴 珂，朱 凯（浙江华云电力工程设计咨询有限公司，浙江 杭州；浙江省交通投资集团有限公司，浙江 杭州；浙江大学 浙江省海洋岩土工程与材料重点实验室，浙江 杭州；浙江大学 平衡建筑研究中心，浙江 杭州；中国计量大学 质量与安全工程学院，浙江 杭州）摘要:为认识和防控温度变化对跨海大桥钢箱梁的影响,通过有限元模拟和现场实测,研究了钢箱梁内部空间空气温度场的时序变化特性;总结了夏季高温条件下的降温措施。结果表明:与无沥青路面相比,有沥青路面的钢箱梁在升温阶段内部空气温度明显更低,甚至低于外界气温,内部空气温度极值出现得更晚且降温更缓慢;靠近顶板的钢箱梁断面竖向温度变化迅速,其余位置温度变化平缓,整个温度梯度可用指数函数和一次函数描述;在钢箱梁内部空气温度较高时,可采用“个体防护+移动式冷风机降温”的综合降温措施。关 键 词:桥梁工程;钢箱梁;温度场;降温措施中图分类号:U 4 4 8.2 1 3文献标志码:A文章编号:1 6 7 4-0 6 9 6(2 0 2 3)0 1-0 0 9-0 6T e m p e r a t u r eF i e l dC h a r a c t e r i s t i c sa n dC o o l i n gM e a s u r e so fS t e e lB o xG i r d e ro fC r o s s-S e aB r i d g eZ HANGL i g a n g1,CHE NZ h o n g j i a n g1,WUB o2,WU K e3,4,Z HU K a i5(1.H u a y u nE l e c t r i cP o w e rE n g i n e e r i n gC o n s u l t i n gC o.,L t d.,H a n g z h o u3 1 0 0 0 0,Z h e j i a n g,C h i n a;2.Z h e j i a n gC o mm u n i c a t i o n s I n v e s t m e n tG r o u pC o.,L t d.,H a n g z h o u3 1 0 0 1 6,Z h e j i a n g,C h i n a;3.K e yL a b o r a t o r yo fO f f s h o r eG e o t e c h n i c sa n dM a t e r i a l o fZ h e j i a n gP r o v i n c e,Z h e j i a n gU n i v e r s i t y,H a n g z h o u3 1 0 0 5 8,Z h e j i a n g,C h i n a;4.R e s e a r c hC e n t e ro fB a l a n c eA r c h i t e c t u r e,Z h e j i a n gU n i v e r s i t y,H a n g z h o u3 1 0 0 0 7,Z h e j i a n g,C h i n a;5.C o l l e g eo fQ u a l i t y&S a f e t yE n g i n e e r i n g,C h i n aJ i l i a n gU n i v e r s i t y,H a n g z h o u3 1 0 0 1 8,Z h e j i a n g,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t ou n d e r s t a n da n dp r e v e n t t h e a d v e r s e e f f e c t so f t e m p e r a t u r e c h a n g e so n t h e s t e e l b o xg i r d e r o f t h ec r o s s-s e ab r i d g e,t h e t i m es e r i e sc h a n g ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ea i rt e m p e r a t u r ef i e l di n s i d et h es t e e lb o xg i r d e rw e r es t u d i e dt h r o u g hF EMa n d f i e l dm e a s u r e m e n t.A n dr e a s o n a b l e c o o l i n gm e a s u r e s f o r t h eh i g ht e m p e r a t u r ec o n d i t i o n i ns u mm e rw e r e p r o p o s e d.T h er e s u l t ss h o w t h a t:c o m p a r e d w i t ht h ea s p h a l t-f r e e p a v e m e n t,t h ei n t e r n a la i rt e m p e r a t u r eo f t h es t e e lb o xg i r d e rw i t ha s p h a l tp a v e m e n tw i l lb es i g n i f i c a n t l y l o w e rd u r i n gt h eh e a t i n gs t a g e,e v e nl o w e r t h a na t m o s p h e r i c t e m p e r a t u r eo u t s i d et h es t e e lb o xg i r d e r,a n dt h e i n t e r n a la i rt e m p e r a t u r ee x t r e m e sa p p e a rl a t e ra n dc o o ld o w ns l o w e r;t h ev e r t i c a lt e m p e r a t u r eo ft h es t e e lb o xg i r d e rs e c t i o nn e a rt h et o pp l a t ec h a n g e sr a p i d l y,w h i l et h et e m p e r a t u r ec h a n g e sa to t h e rl o c a t i o n sa r eg e n t l e,a n dt h ee n t i r et e m p e r a t u r eg r a d i e n tc a nb ed e s c r i b e db ye x p o n e n t i a l f u n c t i o na n dl i n e a rf u n c t i o n;w h e nt h ei n t e r n a la i rt e m p e r a t u r eo ft h es t e e lb o xg i r d e ri sr e l a t i v e l yh i g h,t h ec o m p r e h e n s i v ec o o l i n gm e a s u r e so f“p e r s o n a lp r o t e c t i o n+m o b i l ec o o l i n gf a n”c a nb ea d o p t e d.K e yw o r d s:b r i d g ee n g i n e e r i n g;s t e e lb o xg i r d e r;t e m p e r a t u r e f i e l d;c o o l i n gm e a s u r e s 引 言高压电缆敷设在跨海的钢箱梁桥梁中，桥梁及电缆的安全成为人们关注的重点。钢箱梁内部温度场是影响桥梁安全、电缆输电安全的关键所在。跨海大桥内敷电缆的热环境，一方面受到时序的太阳 收稿日期：；修订日期：基金项目：浙江省自然科学基金项目（）；宁波市交通运输科技计划项目（）第一作者：章李刚（），男，浙江绍兴人，高级工程师，博士，主要从事电力工程线路设计咨询方面的工作。：通信作者：朱 凯（），男，江苏苏州人，副教授，博士，主要从事桥梁与隧道工程运营安全技术的研究。：辐射、大气温度及随机的环境风速的共同影响，另一方面又受到电缆输电产生的热量的影响。此外，线缆本身的输电性能与电缆外部温度场分布也息息相关。在夏季，过高的钢箱梁内部空间温度使得电缆输电性能劣化，同时，桥梁、电缆检修及维护人员也无法正常作业。胡坚锋等以嘉绍大桥主航道桥为研究对象，采用温度自动监测系统对钢箱梁内部温度进行测试，发现夏季钢箱梁结构温度可达 以上，大气温度与 钢桥面铺装各层温度及钢箱梁断面温度的相关性较好，呈现明显的梯度分布；丁幼亮等对珠江黄埔大桥结构健康监测系统中为期一年的温度监测数据进行了分析，发现扁平钢箱梁横截面，在冬季温度较低，而在夏季温度较高，年温度变化具有明显的季节特征，梁横截面的温度分布关于中轴基本对称；孙君等对比分析了润扬长江大桥斜拉桥和悬索桥钢箱梁温度场的差异，得出结论：钢箱梁顶板的昼夜温差比底板的大，悬索桥钢箱梁的昼夜温差比斜拉桥的明显，钢箱梁底板的横向温度分布基本相同，可忽略横向温差的影响；徐向锋等等通过 数值模拟和现场实测获得了波形钢腹板箱梁温度分布，将竖向温度梯度与 公路桥涵设计通用规范进行对比，结果表明，整体吻合较好。笔者以舟山洛迦鱼东 线路工程项目所穿越的舟岱大桥钢箱梁为例，采用数值模拟和现场实测的方法，针对钢箱梁内部温度场分布特性开展了研究，并根据研究成果提出了相应的降温措施。传热分析理论跨海大桥纵向长度远大于横向长度，因此，桥梁的纵向温度变化可以忽略不计，即桥梁各截面的温度变化模式一致。笔者采用二维导热方程来描述钢箱梁的温度场，其导热偏微分方程为如式（）：（）式中：为钢材的密度，；为钢材的比热，（）；为钢材的导热系数，（）；为钢材的温度，；为测试时间，；和为温度梯度分别在直角坐标、上的分量。选择已知的初始温度或温度函数为初始条件。由于空气中的钢箱梁外表面与环境存在对流换热（钢箱梁表面由于风流作用而发生的热交换）、热辐射换热（钢箱梁表面与周围物体依靠电磁波传热而发生的热交换）、太阳辐射（钢箱梁表面由于吸收太阳能而发生的热交换）种换热形式，因此，根据傅里叶定律，钢箱梁边界与周围环境的热交换过程如式（）：（）式中：、分别为对流换热、热辐射换热、太阳辐射换热热流密度，；和 分别为法线的方向余弦；其它符号同前。对流换热热流密度 主要受风速和温度的影响，其表达式如式（）：（）（）式中：为钢箱梁表面对流换热系数，（）；为空气的温度，；为钢箱梁表面温度，。钢箱梁与周围物体的热辐射换热热流密度 可根据 公式计算，如式（）：（）（）（）式中：为 常数，（）；为辐射率。钢箱梁表面受到太阳的辐射换热热流密度 可根据实际吸收的太阳辐射热流密度来计算，如式（）：（）式中：为太阳辐射吸收率；为钢箱梁顶部接收的热流密度，是太阳直射、散射和地面反射热流密度的总和，。数值模拟 模型建立及网格划分笔者采用 的 模块建模，在 模块上进行求解。舟岱大桥钢箱梁由南通航孔和主通航孔组成，并且有多种类型的梁段，但是整体差异不大，因此，以其中 类梁段为例建立钢箱梁的全尺寸三维模型，顺桥向长度为 。详见图。重 庆 交 通 大 学 学 报（自 然 科 学 版）第 卷图 钢箱梁断面尺寸及三维模型 钢箱梁外部表面由于受海风影响而发生强制对流换热，几乎无通风的内部空间则存在自然对流换热。由于内外空气对流换热的强度差异过大而不宜同时建模计算，因此，所建立的钢箱梁模型只涉及钢箱梁结构及内部流体。为模拟钢箱梁外部强制对流，参考文献笔者采用合理边界条件的方式把外部强制对流的作用间接施加到钢箱梁表面。钢箱梁结构严格按照工程图纸进行三维建模，利用六面体网格对整个计算区域进行剖分，如图。整个模型总网格数约为 。图 钢箱梁网格划分 工况及边界条件钢箱梁主体结构及空气物性参数如表。表 桥梁结构与空气物性参数 参数钢箱梁沥青路面空气热导率 （）密度 （）比热容 （）太阳辐射吸收率 反射比 以桥址海上平均风速 为例，构建含有钢箱梁的三维数值模型，模拟得到钢箱梁外表面的对流换热系数 （）。由桥址附近气象站相关资料，得到 年 月 日至 月 日的空气温度，根据式（）可计算出钢箱梁桥面受到太阳热辐射的热流密度。图 为 年 月 日的数据。鉴于电缆发热导致空气温度升高的范围只局限于电缆附近，而钢箱梁断面尺寸远远大于电缆尺寸，所以笔者在数值模拟时未考虑电缆发热的影响。图 钢箱梁附近空气温度 及顶部热流密度 现场测试为准确获得钢箱梁内部温度变化规律，在钢箱梁内部设置多组温度传感器进行测试。钢箱梁内部温度测点布置如图，其中每列温度测点 个，分别距钢箱梁顶部、和 。温度传感器是山东仁科生产的壁挂王字壳单温度变送第 期章李刚，等：跨海大桥钢箱梁温度场特性分析及降温措施研究器，其测量范围为，分辨率为 。图 钢箱梁内外温度测点布置 结果分析 钢箱梁内部空气温度对钢箱梁内部温度测试值取均值，即可获得内部空气在不同时刻的温度值，见表。表 南通航孔桥钢箱梁内外空气实测温度值 年月日时刻 外部内部风力 级有无云朵：有：有：有：有：无：无：有：有：有：无：无：无 注：月 日传感器故障导致空气温度测值与实际情况存在较大误差，表中为气象站数据。在采集表 的数据时，箱梁顶部钢板直接受到太阳辐射。由于沥青路面的吸收率（）比钢板的（）大，因此，在相同气象条件下，沥青路面吸收的热量比钢板多。将模拟所得钢箱梁温度值与南通航孔桥段的实测值进行对比。图 为数值模拟与实测钢箱梁内部空气温度值。由图 可见，钢箱梁内部空气温度模拟值与实测值变化趋势整体一致；模拟值整体偏高约 。原因可能是，在实测时大桥尚未合龙，人孔打开外部空气流入，导致钢箱梁内部温度降低。图 钢箱梁内部空气温度模拟值与实测值对比 结合表 中 月 日的实测外部空气温度数据，通过数值模拟得到有 无沥青路面工况下钢箱梁内部空气温度变化，如图。图 钢箱梁内外空气温度时序变化 由图 可以看出，当桥面铺装沥青面层后，钢箱梁内部空气温度发生了明显的变化。由于沥青路面增大了热阻和热容，与桥面未铺装相比，一方面，在升温阶段，钢箱梁内部空气温度将明显更低，甚至在：前低于外界气温；另一方面，钢箱梁内部空气温度极值出现得更晚，且降温更缓慢。重 庆 交 通 大 学 学 报（自 然 科 学 版）第 卷 钢箱梁断面竖向温度以 年 月 日大气温度变化为外界条件，通过瞬态模拟得到部分时刻钢箱梁断面竖向温度分布，如图。图中，纵坐标为温度测点距顶部的距离。图 不同时刻钢箱梁断面竖向温度 从图 可以看出：在：之前，钢箱梁断面竖向温度 从顶部到底部逐渐降低；在：之后，在顶板附近先增大，然后在底板附近逐渐减小。分析原因是，在：之前，受太阳辐射钢箱梁顶部温度迅速升高，同时将热量传递至梁内空气；而在：之后，钢箱梁内部空气几乎不流动，从而散热较慢。参照郑宏利、张玉平等的研究，文中钢箱梁断面竖向温度变化规律可由分段函数构成：路面和附近区域（距钢箱梁顶部 内）呈指数函数分布，其余部位呈一次函数分布。以一天中竖向温差最大的钢箱梁断面温度为例来分析钢箱梁断面竖向温度梯度。通过竖向温度数据拟合得到钢 箱 梁 断 面 竖 向 温 度 梯 度 分 布 式式（）及分布图（图）：，（）由图 可以看出，式（）拟合结果与数值模拟结果相比整体吻合效果较好，最大误差未超过 ，这个结论与郑宏利的研究结论一致。降温措施笔者提出“个体防护 移动式冷风机降温”措施，即在钢箱梁内作业时，巡检人员需穿着耐高温的防护服，并在局部工作区域采用冷风机进行降温处理。图 钢箱梁断面竖向温度梯度拟合 取最高温度 作为钢箱梁内空气初始温度进行数值模拟。图（）为移动式冷风机降温稳定之后的效果云图，图中虚线框区域平均温度小于（）；图（）为冷风机开启 之后的温度云图。图 移动式冷风机降温效果模拟 第 期章李刚，等：跨海大桥钢箱梁温度场特性分析及降温措施研究从图 可以看出：）在极端工况下，移动式冷风机可有效降低线缆附近检修区的温度，并保持该区域温度低于 （）图（）。尽管由于冷风机出风口背向线缆侧，且出风受到左侧纵隔墙的阻挡，导致左侧纵隔墙附近区域温度较高，但这不影响线缆检修区域的降温效果。）在冷风机开启 之后，左侧线缆区域的温度基本控制在 （）以下图（），不过右侧区域线缆区域的温度仍然较高。因此，当只有一侧线缆需要紧急抢修时，冷风机开启 之后即可进行；若需进一步加快降温速度或同时抢修两侧电缆时，则需要在两侧分别配置冷风机。结 论以舟岱大桥为研究背景，采用数值模拟和现场实测的方法对钢箱梁内温度场分布特性进行了研究，得到以下主要结论：）钢箱梁铺装沥青路面后，钢箱梁内部空气温度的变化规律将发生改变：在升温阶段，钢箱梁内部空气温度明显偏低，在：前甚至低于外界气温；并且，钢箱梁内部空气温度极值出现得更晚，降温速度更缓慢。）钢箱梁断面竖向温度的分布规律为：靠近顶板温度变化迅速，其余位置温度变化平缓；整个断面温度梯度可用指数函数和一次函数分段描述，且拟合公式得到的结果与数值模拟结果吻合度较高。）推荐了综合降温措施，即“个体防护 移动式冷风机降温”，以保障巡检工作人员的身体健康并提高工作效率。参考文献（）：胡坚锋，刘增永，徐文城，等 钢桥面铺装及钢箱梁断面温度监测与分析 公路，（）：，（）：丁幼亮，王晓晶，王高新，等珠江黄埔大桥钢箱梁温度长期监测与分析 东南大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：孙君，李爱群，丁幼亮润扬长江大桥钢箱梁的温度分布监测与分析 公路交通科技，（）：，（）：徐向锋，张峰，刘佳琪波形钢腹板箱梁温度分布 重庆交通大学学报：自然科学版，（）：，（），（）：，：汪劲丰，张良，向华伟，等港珠澳大桥深水区非通航孔桥施工的温度效应 中国公路学报，（）：，（）：，：，高宇 港珠澳大桥青州航道桥扁平钢箱梁温度场分析 西安：长安大学，：，谢林浩正交异性钢桥面板日照温度梯度效应研究长沙：湖南大学，：，郑宏利寒旱区正交异性板连续钢箱梁桥日照温度场研究钢结构，（）：，（）：，张玉平，杨宁，李传习无铺装层钢箱梁日照温度场分析工程力学，（）：，（）：（责任编辑：田文玉）重 庆 交 通 大 学 学 报（自 然 科 学 版）第 卷