钢管混凝土拱均匀温差设计取值研究.pdf

第 3 0卷第 4期 2 0 1 3年 1 2月 土木工程与管理学报 J o u r n a l o f C i v i l En g i n e e r i n g a n d Ma n a g e me n t Vo 1 30 No 4 De e 201 3 钢管 混凝 土拱 均 角 日 刊 rm 差设计取值研究 陈津凯 ， 陈宝春 ， 刘振宇 ， 余新盟 ( 1 福州大学土木工程学院， 福建福州3 5 0 1 0 8 ； 2 华侨大学土木工程学院， 福建厦门3 6 1 0 2 1 ) 摘要： 以一座钢管混凝土桁拱为研究对象， 应用经实桥实测温度场验证的有限元方法和三个不同区域实测环 境温度， 通过对计算合龙温度、 有效温度和温差设计取值方法精度的计算以及温度次内力与有限元理论值差异 的对比分析， 研究了钢管混凝土拱均匀温差设计取值问题。研究表明， 福建省地方建设标准 钢管混凝土拱桥 技术规程 推荐的计算合龙温度公式可推广至全国其他区域； 对于有效温度 ， 可取当地最高气温作为最高有效 温度， 最低 日平均气温或当地最低气温作为最低有效温度。 关键词： 拱桥； 钢管混凝土； 合龙温度； 有效温度； 设计值 中图分类号 ： T U 3 9 8 文献标识码 ： A 文章编号 ： 2 0 9 5 0 9 8 5 ( 2 0 1 3 ) 0 4 - 0 0 0 1 0 7 De s i g n Va l u e f o r Un i f o r m Te mpe r a t ur e Di ffe r e nc e o f Co n c r e t e fil l e d S t e e l Tu bu l a r Ar c h Ri b C HE N fin k a i L ，C HE N B a o c h u n L， L I U Zh e n g y u 。，Y U Xi n me n g L ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， F u z h o u U n i v e r s i t y ，F u z h o u 3 5 0 1 0 8 ，C h i n a ； 2 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， H u a q i a o U n i v e r s i t y ， X i a me n 3 6 1 0 2 1 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T a k i n g a C o n c r e t e fi l l e d s t e e l t u b u l a r( C F S T )a r c h b r i d g e a s a n a l y s i s c a s e ， o n t h e b a s i s o f t h e e n v i r o n me n t a l t e mp e r a t u r e s o f t h r e e d i f f e r e n t d i s t ri c t s i n C h i n a，c a l c u l a t i n g c l o s u r e t e mp e r a t u r e a n d e f f e c t i v e t e mp e r a t u r e we r e c a l c u l a t e d b y fi n i t e e l e me n t me t h o d v e ri fie d b y t h e me a s u r e d t e mpe r a t u r e fie l d o f o n e CFS T a r c h b r i d g e t o s ur v e y t h e d e s i g n v a l u e f o r u n i f o r m t e mp e r a t u r e d i f f e r e n c e o f CF S T a r c h r i bTh e p r e c i s i o n o f t h e d e s i g n v a l u e f o r u ni f o r m t e mpe r a t u r e d i f f e r e n c e a n d t h e c o mp a r i s o n o f s e c o n d a r y i nt e r na l f o r c e s c a u s e d b y t e mp e r a t u r e b e t we e n t h e d e s i g n v a l ue a n d t h e t he o r e t i c a l v a l u e we r e a n a l y z e dTh e r e s u l t s s h o w t ha t t h e c a l c u l a t i n g c l o s u r e t e mp e r a t u r e f o r mu l a， wh i c h i s d e v e l o p e d i n T e c h n i c a l S p e c i fi c a t i o n f o r C o n c r e t e F i l l e d S t e e l T u b u l a r A r c h B ri d g e s ( D B J T 1 3 1 3 6 - 2 0 1 1 ， c o n s t r u c t i o n s t a n d a r d o f F u j i a n p r o v i n c e ) ，i s a l s o s u i t a b l e fo r o t h e r d i s t r i c t s i n C h i n a T h e l o c a l h i g h e s t t e mp e r a t ur e a i r c a n b e us e d a s t h e h i g h e s t e f f e c t i v e t e mp e r a t u r e Th e mi n i mu m d a i l y a v e r a g e a i r t e mp e r a t u r e o r t h e l o c a l a i r mi n i mu m t e mp e r a t ur e c a n b e u s e d a s t h e l o we s t e f f e c t i v e t e mpe r a t u r e Ke y wor ds：Ar c h Brid g e；c o nc r e t e fil l e d s t e e l t u be；c l o s u r e t e mp e r a t u r e；e f f e c t i v e t e mp e r a t u r e； d e s i g n v a l u e 钢管混凝土拱桥 的主拱多为超静定结构 ， 截 面平均温度变化会在拱 中产生附加内力 ， 称为温 度次 内力。由于钢管混凝土拱肋是由钢和混凝土 两种材料组成 ， 且钢管与管内混凝土 的施工又不 是同步进行， 所以， 它与其他类型桥梁的温度作用 有所不 同。我 国现行 的 公路 桥涵 设计 通用 规 收稿 日期 ： 作者 简介 ： 通讯作者 ： 基金项目 ： 范 ( 以下简称通规) 没有对其温度计算做出明 确规定 ， 因此 ， 国内学者 已对这个问题开展了深入 的研究。文献 2 提出“ 计算合龙温度” 的概念 ， 文献 3 ， 4 以单圆管截面 、 文献 5 ， 6 以哑铃形截 面为研究对象开展 了研究 ， 文献 7 对一座钢管 混凝土桁式拱桥进行实桥观测 ， 分析 了桁拱温度 2 0 1 3 - 0 8 1 4修回 日期 ： 2 0 1 3 -0 9 - 2 3 陈津凯 ( 1 9 8 7 ) ， 男 ， 福建龙 岩人 ， 博士研究生 ， 研究方 向为组合桥梁结构( E ma i l ： c h j i n k a i 1 6 3 c o rn) 陈宝春 ( 1 9 5 8 一 ) ， 男 ， 福建罗源人 ， 教授 ， 博 士， 研究方 向为桥梁结构 ( E ma i l ： b a o c h u n c h e n f z u e d u c n ) 国家 自然科学基金( 5 1 1 7 8 1 1 8 ) 2 土木工程与管理学报 场的分布规律 。在上述研究 的基础上 ， 以福建省 为应用地区， 福建省地方建设标准 D B J T 1 3 1 3 6 2 0 1 1 钢管混凝土拱桥技术规程 ( 以下简称 D B J T 1 3 1 3 6 - 2 0 1 1 ) 提 出了钢管混凝土拱均匀温 度作用的设计取值方法。 2 0 1 1年 3月 ， 钢管混凝土拱桥技术规范 列 入国家工程建设标 准( 以下简称 国标) 的制定任 务。编制时， 为 了探讨如何将 D B J T 1 3 1 3 6 - 2 0 1 1 中钢管混凝土拱均匀温度作用设计取值方法推广 应用至全 国范围， 需开展相应的研究。根据文献 9 分析可知， 在环境温度 和弦管管径相 同的情 况下 ， 实肋拱和桁肋拱 的计算合龙 温度取值仅 相 差 0 2 5 o C； 最高 、 最低有效温度取值相同。因此 ， 在不失一般性的前提下 ， 本文 以一座钢管混凝 土 桁拱为研究对 象， 采用有限元软件 A N S Y S ， 应 用 从我国三个不同地区采集到的环境温度资料进行 分析 ， 讨论 D B J T 1 3 1 3 6 2 0 1 1中计算合龙温度取 值方法精度及温度次 内力与有限元理论值( 以下 简称理论值 ) 的差异 ； 对钢管混凝 土拱截 面平 均 温度进行计算分析 ， 以提出适合于全 国钢管混凝 土拱桥设计的有效温度取值方法。 1 DB J T1 3 - 1 3 6 2 0 1 1均 匀 温 差 设 计 取值简 介 1 1 计算合龙温度 研究表明 J ， 钢管混凝土拱计算合龙温度是 环境温度与管 内混凝土水化热综合作用的结果 ， 最主要的影响 因素是管 内混凝 土浇筑后 2 8 d内 的平 均气 温 和弦管管 径。D B J T 1 3 1 3 6 2 0 1 l推 荐的钢管混凝土拱桥计算合龙温度公式为 ： ： + + ( 1 ) 式 中： 为钢管内混凝土浇注后 2 8 d内的平均气 温 ( c ( = ) ； D为钢管外径 ( n 1 ) ； r， n 为考虑管 内混凝 土水化热作用的附加升温值 ， 为 3 0 5 0 C， 冬季取小值 ， 夏季取大值 ， 混凝土强度等级低于 C 4 0时， 在此基础上减 1 0 。 可视为当地的月平均气温 ， 它是一个相对 稳定的值。设计人员根 据管 内混凝土浇筑 的 日 期 ， 可以从 当地历史气象资料得到月平均气温 ， 代 入式( 1 ) 计算。 1 2有效 温度 有效温度用于计算结构 在均匀温度场 作用 下 ， 结构相对于基准温度 的温度变形与内力 ， 分为 最高有效温度和最低有效温度。钢管混凝土拱截 面有效温度的最主要影响因素是环境温度和弦管 管径。根据福建省各地的气候条件 ， 将全省分为 三个地区进行分析 ， 根据分析结果 ， D B J T 1 3 1 3 6 2 0 1 1推荐有效温度按表 1 取用。 表 1 福建省最高 、 最低 有效温度标准值 地区 北部沿海 南部 沿海 山区 最 低 有 效 温 度 ( ： ) ( ； ：； ) ( 0 0 ) 最 高 有 效 温 度 誓 箍 。 注 ： 钢管外径 D0 7 5ff l 时 ， 最低有效温度取括号内的值。 2研究方法 2 1 研究对象 以一座钢管混凝土桁拱为研究对象。该桥主 跨跨径为 1 5 0 m， 矢跨 比为 1 5 ， 拱轴线为空间悬 链线。主拱肋 为 四肢 钢管 桁架式 断 面， 拱 肋 高 3 6 5 m， 拱肋宽 2 1 1 1 1 。标准段拱肋上下弦管为 8 5 0 n l m1 4 m m( 拱脚段为 d 9 8 5 0 m m1 6 mm) 的钢管 ， 腹杆采用 3 5 0 m m1 0 I l l l l l 无缝钢管 。 拱肋 下弦管 内填 5 0号微 膨胀混凝 土( 图 1 ) 。 该桥的具体资料见文献 1 0 。 图 1 拱肋横截面 m m 2 2 计算方法 本研究对钢管混凝土拱截面的温度场和温度 次 内力计算均采用有限元分析方法 ， 应用 A N S Y S 通用程序进行分析。钢管混凝土拱 日照下的温度 场是一个非线性的、 瞬态 的传热问题 。假定全拱 沿拱轴方向各截面温度场相同， 可将三维温度场 问题简化为平面问题进行分析。对于复杂的热交 换边界条件是将太 阳辐射 、 热辐射和对流三种热 流 ， 用对流来等效代替施加 ， 将综合换热 系数 h 、 综合气温 赋给边界上 的节点 。对于钢管混凝 土拱的温度次内力分析就是在温度荷载作用下的 结构分析 ， A N S Y S许多结构静力分析单元都具有 温度荷载分析功能。 钢管混凝土拱截面有效温度的有限元计算就 第4期 陈津凯等：钢管混凝土拱均匀温差设计取值研究 3 是求解截面在 日照和环境温度共 同作用下的温度 场变化过程 中的极值。采用 P L A N E 5 5单元对截 面进行划分 ， 将每个单元 的温度按面积作为权重 求得截面每个 时刻 的平均温度 ， 进而得 到截面极 值温度。 计算合龙温度的有限元计算方法是 ： 先计算 拱肋弦管截面温度场 ， 采用增量法 ， 以 1 h为单位 时段计算从混凝土浇筑完成至此后的 2 8 d内， 钢 管混凝土拱在水化热 和 日照 、 环境温度共同作用 下的温度场变化过程 ， 然后求 出每时刻截面的平 均温度 ， 进而得到每个 时段 内拱 的平均温度增量 和 2 8 d时的截 面平均 温度 t 。将不 同时刻 ( 每小时) 截面温度荷载 施加在拱 的结构模 型上 ， 连续计算 2 8 d并将每个时段 内的温度内力 累加 ， 最终得到 2 8 d后的温度内力。以此内力和 t ， 反算截面内力为0时的温度值， 该值即为拱的 计算合龙温度 。 实际工程 中， 桁拱各弦管在不 同时间完成管 内混凝土浇注的 ， 各弦管平均温度不同， 但 由于处 于同一时期 ， 因此不会相 差太大。研究表 明 ， 差值不会超过 1 4 ， 对于拱结构 总内力的影响 极小 。因此 ， 为简化计算 ， 可 以假设各弦管混凝土 是同时灌注完成的 ， 初始温度取浇筑 时的环境温 度。在施工阶段 ， 拱肋表面涂层为红色漆 ， 而成桥 后涂层为银 白色漆。由于确定钢管混凝土拱的计 算合龙温度需要对施工过程的温度场进行分析 ， 而有效温度主要考虑成桥后相当长服务时间内的 影响， 因此在计算该拱的计算合龙温度和有效温 度时 ， 钢管表面对太 阳辐射的吸收系数 O 分别取 为 0 7和 0 5 5 ， 。 2 3 材 料 特性 由于混凝土刚度是逐渐形成的 ， 2 8 d内大气 温度周期性变化在混凝 土内积累 了应力 ； 水化热 使管内 昆 凝 土升温 ， 随后慢慢降温 ， 在混凝土内积 累了应力 。因此该过程 中每个 时段的计算应采用 对应的结构 刚度 。混凝土水化 热模型根据文献 1 4 采用复合指数式 ， 弹性模量增长规律参考文 献 1 5 ， 按式( 2 ) 确定 ： E ( t )= E ( 1一 3 e ) ( 2 ) 式 中， E 为混凝土最终弹性模量 ； E( t ) 为龄期为 t 的弹性模量 ； 系数 ：1 。 对于本文算例 ， 混凝 土最终弹性模量 为 3 5 X 1 0 MP a ， 代入式( 2 ) 可 以确定该混凝土 弹性模 量增长曲线。 2 4 有限元模型 采用大型通 用软件 A N S Y S进 行建模分 析。 截面温度场计算采用 P L A N E 5 5热单元进行单元 划分 ， 全截面共划分成 3 4 0个单元。对于温度次 内力 的计 算 ， 将 拱 肋 简 化 为 杆 系 结 构 ， 采 用 B E A M1 8 8梁单元模拟 ， 共计 4 7 1个节点 ， 9 0 6个 单元 。模型经实桥在 日照作用下实测温度场 验 证 ， 见文献 7 。 2 5 分析参数 钢管混凝土拱的温度场与环境温度 、 太阳辐 射 、 水化热 、 钢管管径 、 混凝土入仓温度和空钢管 合龙温度等因素有关 。研究表 明 ， 在计算合龙 温度 中， 影响最大的是环境温度与管内混凝土水 化热 ； 在有效温度中， 最主要的影响因素是环境温 度和弦管管径。为此 ， 本文取各地的环境温度和 弦管管径的大小为主要分析参数。 为了对比， 本文分析时 ， 桥梁对象相同 ， 通过 将其置于福建省漳州市 ( 华东温热地 区) 、 四川省 雅安市( 西南寒冷地 区) 和河南省南 阳市( 华 中寒 冷地区) 三个不 同区域实测环境 温度下 ， 通过有 限元模型计算 ， 来分析不 同气温条件对计算合龙 温度与有效温度的影 响。对于超静定拱来说 ， 当 基准温度取值较高， 有效温度取值较低时的温降 对结构更为不利。因此 ， 分析时 ， 选取夏季实测温 度计算合龙温度 ， 式( 1 ) 中 取 5 0 。 在我国已建 的钢管混凝土拱桥 中 ， 弦管 的管 径 D一般为 5 5 0 1 5 0 0 m m 1 6 。为了研究管径变 化对均匀温差设计取值的影响 ， 选择 了 D =5 5 0 mm、 D 2=8 5 0 m m、 D 3=1 2 0 0 m m 和 D 4=1 5 0 0 m m， 共4种管径尺寸进行计算分析。需要指出的 是 ， 一般情况下 ， 管径 随着桥梁跨 径的增 大而增 大， 但本文主要分析截面均匀温差设计值 ， 为在相 同条件下比较截面均匀温差及其产生的内力， 本文 进行参数分析时只改变管径而不改变桥梁跨径。 3 计算结果分析 3 1 计算合龙温度 通过有限元计算和式( 1 ) 得到不 同环境温度 下的计算合龙温度。为讨论简洁 ， 将研究对象置 于福建省漳州市环境温度下 称为算 例 1 ； 置于四 川省雅安市环境温度下称为算例 2 ； 置于河南省 南阳市环境温度下称为算例3 。 图 2为不同算例的计算合龙温度公式值和理 论值。从图中可以看 出， 计算合龙温度公式值和 理论值有一定 的误差 ， 其原因在于式 ( 1 ) 忽略 了 不同区域环境温度变化幅度 、 太 阳辐射 和风速等 次要因素对计算合龙温度的影 响。不过 ， 最大误 4 土木工程与管理学报 2 0 1 3年 差仅为 1 0 。 40 3 5 3 O p 商 2 5 赠 2 0 琳1 5 1 0 5 0 l 2 1 1 O 9 0 8 图2 不同环境温度下计算合龙 温度公式值与理论值对比 * ： ： ： 一 -算例 1 算例 2 算N 3 图 3合龙温度计算精度 对公式进 行精度分析， 计算结果见 图 3 。图 中横坐标为管径 ， 纵坐标 式 值 论 值 表示计算合 龙温度公式值与理论值 的比值。可以看 出， 两者 相 比的差值均小于 5 ， 比值的平均值 为 0 9 8 6 ， 均方差为 0 0 2 4 。从下文 3 3节 的讨论可知 ， 误 差对温度次 内力的影 响也很小。这说明 ， 管内混 凝土浇筑后 2 8 d的平均气温能很好 反映环境温 度在管 内混凝土达到设计强度过程中对合龙温度 的影响程度 。因此 ， 式 ( 1 ) 对 于不 同温度环境具 有相当好的适应性。换 句话 说， 式 ( 1 ) 可用 于全 国各地的钢管混凝土拱桥 的计算 合龙温度 的计 算 。 3 2有效温 度 有效温度主要考虑大桥建成后相当长的运营 期间内拱肋截面的平均温度值， 其影响最主要的 因素是当地环境温度 ， 次主要 的因素是管径大小 和太阳辐射。 3 2 1最高有效温度 最高有效温度分析时 ， 从各个 区域实测 8月 份气象资料中， 选择持续 高温 的最不利天气情况 进行计算 ， 计算结果见图 4 。可以看出， 不同地区 气温变化 、 太阳辐射和风速 的差异对最 高有效温 度有一定 的影响 ， 但总体上截面最高有效温度均 接近当地最高温度 ， 而与 日平均气温相差较大。 现行通规是按钢桥面板钢桥 、 混凝 土桥面 板钢桥 、 混凝土和石桥三个分类 ， 分别给出在严寒 地 区、 寒冷地区和温热地 区的有效温度标准值。 三个气温分区最高有效温度均取相同 ， 分别为按 钢桥 面 板 钢 桥 为 4 6 、 混凝 土桥 面板 钢 桥 为 3 9 、 混凝土和石桥为 3 4 。从 图 4可知 ， 对 于 算例 1和 3 ， 最高有效温度按 照混凝 土桥 面板 钢 桥取值相对接近理论值 ； 对于算例 2， 最高有效温 度按照混凝土 、 石桥取值相对接近理论值 ， 因此无 法按照通规的同一分类取值。 f a 1 算 例 一旦算例2 最高有效温度实际值 一 目 官 尽 目 目一 目匡一 旦一 ： 目 亘 匡 亘 一 蚕 国 营 虽 呈 量 lI 蚕 日 = = = E 5 5 0 85 0 l 2 0 0 1 5 0 0 管径 mm f b 1 算 例 2 5 50 8 5 0 1 2 0 0 1 5 0 0 管 径 ram ( c ) 算 例 3 按 钢桥 面板 钢桥 取值 按混凝 土桥 而板 钢桥 取值 最高气温 按混 凝土 、石 桥取值 日平均气 温 按钢桥而板钢桥取值 最高 气温 按混 凝土 桥面 板钢桥 取值 按混凝士、打桥取值 日平均气 温 图 4 不 同环境 温度下最高有效温度与最高气温 、 日平均气温及通规取值对 比 最高有效温度均低于当地最高温度 ， 对最高 有效温度与当地最高温度差值 进行精度分析， 结果见表2 。可以看 出， 算例 1中管径为 1 5 0 0 mm 时两者差值 最 大， 为 3 1 3 ， 其原 因在 于： 有 效温度的主要影响因素之一是管径 的大小 ， 当管 径较大时， 混凝土所 占比例越大， 对环境温度的反 映越缓慢 ， 越接近钢筋混凝土结构 的效应。该差 值对温度次内力的影响将在 3 3小节进行讨论。 值桥值 取钢 取 桥板桥 钢面 石 板桥 、 温 面 温十土 气 桥 气凝凝 均 钢商 混 混平 按 最按按 口 如 蚰 如 加 m O 赠狡忙幢蜡 如 如 加 O p 赠较忙挺 第 4期 陈津凯等：钢管混凝土拱均匀温差设计取值研究 5 表2 最高有效温度取值精度 注 ： 表 中 A t = 2一 t l ， t 1为最高有效温度 ， t 2为当地最高气温。 3 2 2最低有效温度 最低有效温度分析时 ， 从各个区域 实测 1月 份气象资料 中， 选择持续低温 的最不利的天气情 况进行计算 ， 计算结果见 图 5 。可 以看出 ， 在不 同 地 区， 截面有效温度均较接近 日平均气温 ， 与最低 气温及通规取值均相差较大。 日平 均气 温 最低 气温 按混 凝土 、石 桥取 值 按混 凝土 桥面 板钢 桥取 值 按钢桥面板钢桥取值 0 釜 o 鎏 目 ：雪 ： ：雪 ： ：酉 ：曩 蠢 曩 萃 石桥取值 一 l 5 一 星 星 目 一 营 一 按 混 凝 土 桥 面 板 钢 桥 取 值 2 0 一 目一 目目一 目一 按 钢 桥 面 板 钢 桥 取 值 一， L 巴 j _ E 三 L 上 = E ； L 55 0 8 5 0 1 2 0 0 1 5 0 0 管径 ram ( b ) 算例2 55 0 8 5 0 1 2 00 1 5 0 0 管径 mm r c 1 算 例 3 日平均气 温 最 低气温 按 混凝 土 、石桥 取值 按 混凝 土桥 面板 钢桥 取值 按钢桥面板钢桥取值 图 5 不 l司环境温度 F 最低有效温度 与最低气 温 、 日平均气温及桥规取值对比 最低有效温度在 日平均气温线上下浮动 ， 对 最低有效温度与 日平均气温差值 的绝对值进 行精度分析 ， 结果见表 3 。可以看 出， 算例 3中管 径为 5 5 0 mm时 最大 ， 为 3 1 4 ， 其原因在于 ： 算例 3的气温变化较为剧烈 ， 温差大 ， 当管径较小 时 ， 截面越小 ， 对环境温度的反 映越迅速 ， 截面温 度场滞后相对不 明显 ， 越接近钢结构 的效应。该 差值对温度次内力的影响将在下节进行讨论 。 表 3 最低 有效温度取值精度 注 ： 表中 A t =I t 2一t l I ， t l为最低有效温度 ， 2为 日平均气温 。 3 3 温度次内力比较 钢管混凝土拱桥主拱肋多为超静定结构， 随 着结构均匀温度的变化 ， 由于多余约束 的存在而 产生温度次内力 。由于我 国地域辽 阔， 气候差异 性大 ， 影 响气温的因素众多 ， 因此气温波动大 ， 截 面温度难以准确计算 。钢管混凝土拱截面均匀温 差设计值取值考虑了环境温度和管径这两个最主 要因素 ， 因此设计值 与计算值存 在一定的误差。 本小节将对均匀温差设计值误差产生的温度次内 力进行比较以对取值 的合理性进行讨论。 对实桥进行有 限元计算可知 ， 拱截面平均温 度上升 1 c IC 产生的温度次 内力见表 4 。 由于是均 匀温度变化 ， 因此温度下降 1 的次 内力绝对值 与温升相 同， 只是两者的符号相反。 表 4结构 温升 1 的次 内力与桥梁 自重 内力的 比较 荷载类 型 S l S 2 S 】 S 2 6 51 58 6 1 6 一 48 7 0 2 0 0 1 69 一 8 6 60 7 1 3 21 一76 31 2 0 0 0 7 0 1 2 4 7 78 6 0 3 3 9 0 0 2 0 9 8 9 0 41 3 41 O0 注 ： 表 中 5 l为结构温升 1 的次内力 ， 5 2为桥梁 自重 内力。 拱桥是以受压为主的结构 ， 因此主要讨论其 轴力的大小 。从表 4可 以看 出， 升温 1 以拱脚 上弦温度次 内力 占桥梁 自重 内力 的比重最高， 为 1 6 9 ， 在下文的分析中， 将温差乘 以该 比值就可 以得到温差产生的温度次 内力 占桥梁 自重 内力的 比重 ， 以此说明截面均匀温差设计取值误差对桥 梁 内力 的影响。 3 3 1 计算合龙温度 拱桥均匀温度作用常以温降为控制 ， 因此在 分析计算合龙温度取值中以降温产生的温度次内 力作为分析对象。 对三个地区计算合龙温度取值差值产生的温 度次 内力 占桥梁 自重内力 的比重进行计算 ， 结果 见表 5 。可以看出， 按照式( 1 ) 进行取值 的误差产 生的温度次内力 占桥梁 自重内力的 比重均在 2 矗 一 m m 一 一一 一 弦 一 弦 上 一 下 脚 拱 9 4 2 0 9 4 O 3 一 一 一C 鲫朐 川 一 一 一 顶 拱 O ln m 加 6 土木j 二 程与管理学报 以内。由前文分析可知， 计算合龙温度公式值和 理论值最大误差为 1 0 C， 误差平均值为0 3 7 C； 而如果按照 3 2节有效温度取值 方法 ， 其最大误 差为 3 1 4 ， 误差平均值为 1 4 1 。计算合龙温 度的取值精度远高于有效温度。桥梁设计中结构 受到的( 均匀) 温度作用是通过最高和最低有效 温度与结构 的位 移受 到约束 时的温度 ( 基 准温 度 ) 之差计算 的， 由计算合龙温度和有效温度共 同决定 。因此 ， 建议将其作为计算合龙温度设计 值 ， 而对有效温度进行保守取值。 表 5 计算合龙温度取值 对比 计算合龙温度 ( o C) 项 目 公式值 t 理论值 t 2 t 1 一t 2 t 。 一 产生的温度 次内力 占桥梁 自重 内力 比重 3 3 2 最 高有 效温 度 为了研究最高有效温度取值方法 ， 表 6分别 按照最高气温、 最高 日平均气温和通规中的相关 规定进行最高有效温度取值 ， 计算合龙温度采用 理论值 ， 计算并比较不同取值 的温度次 内力 占桥 梁 自重 内力 比重。从表中可 以看出 ， 如果按通规 的规定取值 ， 算例 1和 3按照混凝土桥面板钢桥 取值与实际值较为接近； 算例 2按照混凝土 、 石桥 取值与理论值 较为接近。如果 按照最高气温取 值 ， 温度次内力 占桥梁 自重 内力 比重与理论值 的 差值均在 5 以内， 且偏于保守 。 表 6 最高有效温 度取值对 比 硼 熟 算例1 ( t = 2 5 7 8 ) t 2 K f j ；= t 2 3 7 8 8 3 9 4 2 3 2 2 l 4 6 3 9 3 4 2 0 4 5 2 3 () 5 1 0 8 7 3 4 1 7 2 2 3 4 l 3 8 9 算例2 ( f ， = 2 4 6 6 ) 3 3 6 1 3 5 4 2 2 5 1 6 l 5 1 3 1 8 1 5 0 8 5 4 6 3 9 3 4 3 6 0 6 2 4 2 3 1 5 7 8 算例3 ( f = 2 6 0 8 ) 3 9 2 5 4 0 3 0 2 7 2 8 2 2 2 6 2 4 o 3 2 ( 】3 4 6 3 9 3 4 3 3 6 6 2 1 8 3 1 3 3 8 注 ： 表中 K为温度次 内力占桥梁 自重 内力 比重 ， t 为训 算 合 龙温度 ， 为最高有效温度 。 由于在本文气象观测期内并未出现历史极端 气温， 因此查询了中央气象局不 同地区极端气温 资料 ( 时间跨度 ： 1 9 5 1 年 0 1月 0 1日2 0 0 8年 l 2 月 3 1日) ， 相关数据见表 7 。可 以看 出， 三个地 区 历史最高气温与本文观测值相差小于 3 C， 温度 次 内力 占桥梁 自重 内力 比重小于 5 0 7 。因此 基于本文观测的最高温度数据分析结果具有代表 性 ， 最高有效温度建议取当地最高气温 。 表 7 最高气温对比 3 3 3 最低有效温度 采用与最高有效温度同样 的研究方法分析最 低有效温度取值 。表 8分别按照最低气温 、 最低 日平均气温和通规进行最低有效温度取值 ， 且通 规 中的最低有效温度根据不同地区所属的气温分 区取值 。从表中可以看出， 如果按通规取值 ， 温度 次内力与理论值相差较大。如果按照 日平均气温 取值 ， 温度次内力 占桥梁 自重内力 比重与理论值 的差值均在 5 以内。 表 8 最低 有效温度取值 对比 项目 算例1 tJ5 9 1 2 1 6 6 7 2 9 6 3 ( f I = 2 5 7 8 ) K 3 3 5 8 3 9 9 2 3 2 2 1 5 8 7 8 5 3 7 1 4 8 6 4 算例2 一 3 7 5 6 4 2 4 1 8 2 1 1 5 1 0 ( f = 2 4 6 6 ) K 4 8 0 1 5 2 5 3 48 7 4 7 7 1 7 6 7 0 3 5 8 5 8 算 例3 t 2 一 3 8 3 9 5 1 2 2 3 2 1 1 5 1 0 ( 1 = 2 6 0 8 ) K 5 0 5 5 6 0 1 5 4 7 8 4 7 9 5 7 6 9 4 3 6 0 9 8 注 ： 表 l f J K为温度 次内力 占桥梁 自重 内力 比重， 为计算 合 龙温度 ， 为最高有效 温度 。 查询中央气象局不 同地 区历史极端 气温资 料 ， 相关数据见表 9 。可以看 出， 雅安 、 漳州地 区 历史极端最低气温与本文观测值相差小于 5 C， 且其历史平均最低气温均高于本文观测到的最低 气温 ， 由前文关于钢管混凝土截面温度场特性可 知 ， 其截面温度差值小于 5 ， 温度次内力 占桥梁 自重 内力 比重小于 8 4 5 。对于南 阳地区 ， 历史 极端最低气温( 出现在 1 9 5 5年) 与本文观测值相 差 1 2 ， 但是其历史平均最低气温只有 一5 ， 可 以认为该极端气温只是短暂出现 ， 并且根据钢管 混凝土截面滞后特性及通规对可变作用乘 以 1 4 分项系数的规定 ， 因此基 于本文观测数据 的分析 结果具有代表性。建议取 日平均气温作为最低有 效温度。考虑到一般设计人员不易得到最低 日平 均气温 ， 因此偏保守考虑， 可以取当地最低气温作 为最低有效温度。 表 9 最低气温对 比 q C 第 4期 陈津凯等 ： 钢管混凝土拱均匀温差设计取值研究 7 4 结 语 以一座钢管混凝 土桁拱为研 究对象 ， 采 用有 限元软件 A N S Y S ， 进行 了钢管混凝土拱截面均匀 温差设计值取值研究 ， 得到以下结论 ： ( 1 ) 应用从我国三个不同地 区采集 到的环境 温度资 料 进行 计 算 分 析， 讨论 了 D B J T 1 3 1 3 6 2 0 1 1中计算合龙温度取值方法精度及其 温度次 内力与理论值的差异 。结果表 明， 公式取值精度 较高， 最大差值为 1 ， 产生的温度次 内力 占桥梁 自重 内力的 比重为 1 6 9 ， 建议将其作为计算合 龙温度设计值 ， D B J T I 3 - 1 3 6 2 0 1 1中计算合龙 温 度取值方法可 以推广到全国范围。 ( 2 ) 根据极端气温 、 日平均气 温和 J T G D 6 0 2 0 0 4中的相关规定进行有效温度取值 ， 计算并 比 较误差产生 的温度次 内力 占桥 梁 自重 内力 的 比 重。分析表明， 对于最高有效温度 ， 按照最高气温 取值 ， 温度次内力 占桥梁 自重 内力 比重与理论值 的差值均在 5 以内， 且偏于保守。建议取 当地 最高气温作为最 高有效温度。对于最低有效 温 度 ， 按照最低 日平均气温取值 ， 温度次 内力 占桥梁 自重 内力 比重与理论值 的差值 均在 5 以内。建 议取 日平均气温作为最低有效温度 。考虑到一般 设计人员不易得到最低 E t 平均气温 ， 因此偏保守 考虑 ， 也可 以取 当地最低气温作为最低有效温度 。 1 2 3 参考文献 J T G D 6 0 - 2 0 0 4， 公路桥涵设计通用规范 S 陈宝春，徐爱民， 孙潮钢管混凝土拱桥温度内 力计算时温差取值分析 J 中国公路学报 ， 2 0 0 0 ， 1 3( 2)： 5 2 - 5 6 林春姣 钢管混凝土拱计算合拢温度研究 D 广 西：广西大学 ， 2 0 0 7 4 范丙臣 中承式钢管混凝土拱桥的温度评价及试验 研究 D 哈尔滨 ： 哈尔滨工业大学， 2 0 0 1 5 彭友松，强士中，李松哑铃形钢管混凝土拱 日 照温 度 分 布研 究 J 中 国铁 道 科 学 ，2 0 0 6 ，2 7 ( 5 ) ： 7 1 - 7 5 6 柯婷娴 ，陈宝春， 刘振宇日照下钢管混凝土哑铃 形拱肋截面的温度场有限元计算 J 长沙交通学 院学报 ， 2 0 0 8 ， 2 4( 4 ) ： 1 2 1 7 7 陈宝春 ， 刘振宇日照作用下钢管混凝土桁拱温度 场实测研究 J 中国公路学报 ， 2 0 1 1 ，2 4( 3 ) ： 7 2 79 8 D B J T 1 3 1 3 6 2 0 1 1 ， 钢管混凝土拱桥技术规程 S 9 黄福 云 ， 陈宝春 ， 柯婷娴 钢管混凝土 哑铃形 拱的 计算温度取值研究 J 福州大学学报(自然科学 版 ) ， 2 0 1 1 ， 3 9( 2 ) ： 2 6 6 - 2 7 5 1 0 T a n g S ， C a i W，C h e n B A H a l f - t h r o u g h R i g i d f r a m e Ti e d CFS T Ar c h Br i dg e wi t h Two Ca n t i l e v e r Co n c r e t e De c k Ar c h e s Xi y