寇越，劉金義，馬彥陽(yáng)，張峰

(1.中國(guó)鐵建投資集團(tuán)有限公司，北京 100855； 2.山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，濟(jì)南 250061)

橋梁結(jié)構(gòu)在服役期長(zhǎng)期暴露于露天環(huán)境中，在太陽(yáng)輻射、日溫變化、年溫變化、寒流等多因素的影響下，結(jié)構(gòu)內(nèi)部逐漸形成不均勻溫度分布，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力影響顯著，由此產(chǎn)生的溫度應(yīng)力與變形在橋梁設(shè)計(jì)荷載中占有很大比重[1-2]。在太陽(yáng)輻射條件極端的時(shí)間和地區(qū)，日照溫度作用的影響甚至超過(guò)恒載和活載成為第一控制作用，對(duì)橋梁的耐久性與安全運(yùn)營(yíng)造成較大的危害。

結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)研究的主要通過(guò)少量測(cè)點(diǎn)結(jié)合數(shù)值模擬實(shí)現(xiàn)。葉見曙等[3]通過(guò)對(duì)南京長(zhǎng)江二橋的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析，得出雙幅分離的箱梁橋結(jié)構(gòu)豎向溫度梯度分布規(guī)律。郭棋武等[4]、顏東煌等[5]、王偉[6]、Xu等[7]也通過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比的方法，證明了箱梁內(nèi)部的溫度場(chǎng)是非線性的。徐豐[8]借助ANSYS內(nèi)嵌的輻射矩陣生成器，實(shí)現(xiàn)了混凝土箱梁外表面在任意時(shí)刻日影單元與非日影單元的區(qū)分。尹冠生等[9]利用光線追蹤法編制了ANSYS子程序，準(zhǔn)確模擬了混凝土拱橋拱上主梁的遮陰作用。Zhu等[10]建立了混凝土斜拉橋的三維溫度場(chǎng)遮陰精確模型。對(duì)于單箱三室梁而言，多個(gè)箱室的存在導(dǎo)致對(duì)流邊界條件極其復(fù)雜，解決這一問(wèn)題需要在單箱三室箱梁截面埋置大量測(cè)點(diǎn)。僅憑借少數(shù)測(cè)點(diǎn)和數(shù)值模擬結(jié)合的手段難以有效準(zhǔn)確地反映單箱三室箱梁的溫度場(chǎng)實(shí)際情況，這也是目前很多研究所遇到的瓶頸。

相比有限元數(shù)值模擬，通過(guò)對(duì)實(shí)橋或模型的長(zhǎng)期測(cè)試可以反映橋梁結(jié)構(gòu)真實(shí)的溫度分布狀態(tài)。Maes等[11]依托加拿大阿爾伯塔省輕軌大橋提出加拿大溫度規(guī)范的修正方法。Shushkewich等[12]基于全年的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)證實(shí)了AASHTO規(guī)范中正負(fù)溫度梯度的規(guī)定。Peiretti等[13]基于橋面板的長(zhǎng)期測(cè)量試驗(yàn)，認(rèn)為每日溫差大于10 ℃的地方需要重新考慮最大溫度梯度。Hedegaard等[14]發(fā)現(xiàn)使用AASHTO的規(guī)范進(jìn)行有限元軟件建模的結(jié)果顯著低于測(cè)量結(jié)果。上述這些研究還是基于傳統(tǒng)的研究方法，驗(yàn)證或者改進(jìn)了規(guī)范中的取值。Barsotti等[15]運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)計(jì)算98%上限值對(duì)應(yīng)的溫度梯度。顧瑞海等[16]基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分別計(jì)算了重現(xiàn)期為50年和100年的箱梁豎向溫差代表值。王毅[17]用假設(shè)檢驗(yàn)和參數(shù)分析提出計(jì)算混凝土箱梁溫度作用代表值的方法。雷笑[18]采用系統(tǒng)聚類分析與非參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法對(duì)混凝土箱梁日最大豎向溫差進(jìn)行研究，相應(yīng)分別得到了最大正溫差和最大反溫差所對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值、頻遇值和準(zhǔn)永久值。陶翀等[19]對(duì)箱梁的豎向最大正溫差與環(huán)境氣溫之間的關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并建立了基于極值統(tǒng)計(jì)理論的正溫度梯度曲線。然而這些研究基于單箱單室或者預(yù)制混凝土梁，對(duì)于復(fù)雜的單箱三室梁是否適用仍然存在疑問(wèn)。

目前針對(duì)單箱三室箱梁的溫度場(chǎng)研究較少。程曙光等[20]以西安西咸新區(qū)紅光路灃河大橋?yàn)檠芯繉?duì)象,在混凝土表面布置了58個(gè)溫度傳感器，并在南北兩支座處布置了2個(gè)位移傳感器，結(jié)果表明根據(jù)形心點(diǎn)溫度進(jìn)行支座位移計(jì)算時(shí)誤差較小。然而該研究?jī)H僅考慮了箱梁整體的位移，并未考慮箱梁細(xì)部的開裂問(wèn)題。潘旦光等[21]以西安西咸新區(qū)灃河大橋的單箱三室預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁為研究對(duì)象，在混凝土外表面粘貼了65個(gè)溫度傳感器研究混凝土溫度場(chǎng)分布規(guī)律。然而混凝土是一種離散性較大的非金屬材料，僅在混凝土表面粘貼傳感器不能反映實(shí)際橋梁的溫度規(guī)律，因此在單箱三室梁截面內(nèi)部埋置大量的溫度場(chǎng)傳感器十分必要，現(xiàn)通過(guò)在王家河特大橋埋置大量溫度測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，研究適用于單箱三室箱梁的溫度場(chǎng)分布規(guī)律，以期對(duì)其他同類型橋梁提供參考。

1 箱梁溫度試驗(yàn)

王家河特大橋全長(zhǎng)2 014.829 m(圖1)，主橋?yàn)槲逅珙A(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋，采用塔、墩、梁固結(jié)剛構(gòu)體系，主跨為230 m。為研究該橋單箱三室箱梁溫度分布規(guī)律，選擇王家河特大橋12號(hào)主墩大里程方向26#斷面開展溫度測(cè)試。

圖1 王家河特大橋Fig.1 Wangjiahe grant bridge

26#橫斷面梁高為3.8 m，橋面板寬度為29.5 m，底板寬度為18.6 m (圖2)，測(cè)試截面共布置89個(gè)溫度傳感器(圖3)。

圖2 測(cè)試截面尺寸圖Fig.2 Dimensional diagram of the test section

圖3 測(cè)點(diǎn)布置圖 Fig.3 Measurement point layout

測(cè)試截面的溫度傳感器采用的是預(yù)埋式JMT-36C智能溫度傳感器，太陽(yáng)輻射傳感器采用的是JMGD-1G傳感器，采用無(wú)線遠(yuǎn)程自動(dòng)化采集模塊進(jìn)行溫度和太陽(yáng)輻射測(cè)試，采集頻率為1次/h，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試布置測(cè)試如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖Fig.4 Field test diagram

采集模塊由JMTX-2020型DTU手機(jī)上網(wǎng)模塊連接，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集。采集模塊和DTU上網(wǎng)模塊安裝于全密封標(biāo)配機(jī)箱內(nèi)，以保證采集設(shè)備的穩(wěn)定性，測(cè)試設(shè)備如圖5所示。

圖5 測(cè)試設(shè)備示意圖Fig.5 Schematic diagram of the test equipment

2 環(huán)境因素分析

基于已有箱梁溫度效應(yīng)的研究表明[22-23]，影響箱梁溫度梯度的主要因素為大氣溫度、風(fēng)速和太陽(yáng)輻射，因此介紹測(cè)試期間大氣溫度傳感器、風(fēng)速傳感器、太陽(yáng)輻射傳感器的測(cè)試值。選取大氣溫度進(jìn)行分析，測(cè)試期間為2020年10月6日—2021年10月6日，測(cè)試期間太陽(yáng)輻射和溫度情況如圖6所示。

圖6 測(cè)試期間氣象參數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig.6 Statistics of meteorological parameters during the test

測(cè)試期間2021年4月20日—5月18日太陽(yáng)輻射傳感器和風(fēng)速傳感器出現(xiàn)故障。由圖6(a)可以看出，日最大太陽(yáng)輻射值隨季節(jié)變化明顯，夏季太陽(yáng)輻射值高于冬季。日最大太陽(yáng)輻射值出現(xiàn)在2021年6月5日，為1 024.89 W/m2，冬季(12—次年2月)最大太陽(yáng)輻射值為664.02 W/m2。由圖6(b)可以看出，日平均風(fēng)速范圍在1.0～3.0 m/s，試驗(yàn)期間記錄的最大風(fēng)速約為5.94 m/s，而日最小風(fēng)速為0.11 m/s，無(wú)明顯季節(jié)分布規(guī)律。測(cè)試期間大氣溫度分布狀態(tài)見圖7。

圖7 測(cè)試期間每日大氣溫度記錄Fig.7 Daily atmospheric temperature records during the test period

由圖7可知，采集的大氣溫度最高氣溫出現(xiàn)在8月1日，氣溫為36.5 ℃；最低氣溫出現(xiàn)在1月8日，氣溫為-14.5 ℃。統(tǒng)計(jì)梁體平均溫度和大氣溫度的關(guān)系(圖8)，提出箱梁平均溫度預(yù)測(cè)公式分別為

圖8 橋梁每日平均溫度Fig.8 Average daily temperature of the bridge

MTmax=0.97Tmax-4.094 7

(1)

MTmin=1.01Tmin+4.078 4

(2)

式中：MTmax為梁體最高平均溫度，℃；MTmin為梁體最低平均溫度，℃；Tmax為大氣最高溫度，℃；Tmin為大氣最低溫度，℃。

由圖8看出，箱梁梁體平均溫度和大氣溫度密切相關(guān)，MTmax和Tmax之間的決定系數(shù)R2值為0.867，MTmin和Tmin之間的決定系數(shù)R2值為0.981，因此可通過(guò)式(1)和式(2)預(yù)測(cè)箱梁截面每日平均溫度的最大值和最小值。

為表征不同季節(jié)箱梁平均溫度與環(huán)境溫度的相關(guān)性，分別繪制溫度場(chǎng)模型秋季(2020年10月9日)、冬季(2020年1月14日)、春季(2021年4月10日)以及夏季(2021年8月5日)平均溫度與大氣溫度對(duì)比曲線，如圖9所示。

圖9 梁體平均溫度和大氣溫度對(duì)比Fig.9 Comparison of average beam temperature and atmospheric temperature

分析圖9可以看出，箱梁梁體平均溫度相比大氣溫度變化存在滯后性，單日平均溫度變化不如大氣溫度變化顯著。夏季與冬季大氣溫度變化顯著，春季與秋季大氣溫度變化較小。

3 溫度場(chǎng)測(cè)點(diǎn)分布規(guī)律

對(duì)于單箱三室箱梁而言，太陽(yáng)輻射作用和大氣散熱作用錯(cuò)綜復(fù)雜，以上作用可導(dǎo)致箱梁表面和內(nèi)部產(chǎn)生較大溫差，使混凝土發(fā)生開裂風(fēng)險(xiǎn)，因此對(duì)箱梁豎向溫度和橫向梯度展開分析。

3.1 箱梁豎向溫度梯度

分別選取左腹板測(cè)點(diǎn)3、14、15、16、17、18、19、20、21的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，左中腹板測(cè)點(diǎn)9、30、31、32、33、34、35、36、37的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，右中腹板測(cè)點(diǎn)61、38、39、40、41、42、43、44、45的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和右腹板測(cè)點(diǎn)67、82、85、86、87、88、89的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其中83、84傳感器在夏季出現(xiàn)故障。以混凝土最底部為坐標(biāo)原點(diǎn)，選取2021年8月5日(太陽(yáng)輻射量最大)分別繪制兩個(gè)邊腹板及兩個(gè)中腹板處的溫度分布規(guī)律，如圖10所示。

圖10 腹板豎向溫度時(shí)程分布曲線Fig.10 Time distribution curve of vertical temperature of the web

由圖 10可知，受對(duì)流作用影響，兩個(gè)中腹板測(cè)試數(shù)據(jù)[圖10(b)、圖10(c)]，除了最頂部測(cè)點(diǎn)和最底部測(cè)點(diǎn)，其余測(cè)點(diǎn)變化極小，單日最大溫度變化為0.5 ℃。兩個(gè)邊腹板[圖10(a)、圖10(d)]各測(cè)點(diǎn)均產(chǎn)生較大的溫度變化。受太陽(yáng)輻射作用影響，向陽(yáng)側(cè)邊腹板最大豎向溫度梯度大于背陽(yáng)側(cè)[圖10(a)、圖10(d)]。向陽(yáng)側(cè)最大豎向溫度梯度為13.3 ℃，背陽(yáng)側(cè)最大豎向溫度梯度僅為4.2 ℃。

3.2 箱梁橫向溫度梯度

3.2.1 頂板橫向溫度梯度

分別選取1月14日和8月5日繪制夏季與冬季單箱三室箱梁底板橫向溫度梯度分布曲線，如圖11所示。

圖11 夏冬季頂板溫度梯度分布Fig.11 Temperature gradient distribution of summer and winter top plate

由圖 11可以看出，夏季箱梁橫向溫度梯度最小于冬季橫向溫度梯度。以最右側(cè)測(cè)點(diǎn)為例，夏季為5.372 ℃，而冬季達(dá)11.184 ℃。因此冬季頂板橫向溫度梯度大于夏季。

3.2.2 底板橫向溫度梯度

分別選取1月14日和8月5日繪制夏季與冬季單箱三室箱梁底板橫向溫度梯度分布曲線，如圖12所示。

圖12 夏冬季底板溫度梯度分布Fig.12 Temperature gradient distribution of bottom plate in summer and winter

由圖 12可以看出，由于冬季太陽(yáng)高度較低，最大橫向溫度梯度值為12.0 ℃，大于夏季的4.7 ℃。底板的橫向溫度分布近似呈U形。根據(jù)目前現(xiàn)行的《鐵路橋涵鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10092—2017)(以下簡(jiǎn)稱中國(guó)鐵路規(guī)范)中對(duì)箱梁橫向溫度梯度的規(guī)定，如圖13所示。

b為底板寬度；b1為翼緣板寬度；δ為頂板厚度；h為箱梁高度；T02為沿寬度方向的溫度梯度；T01為沿高度方向的溫度梯度圖13 中國(guó)鐵路規(guī)范箱梁溫差分布圖Fig.13 Distribution of temperature difference of standard box girder of Chinese railroad

由圖13可以看出，中國(guó)鐵路規(guī)范僅認(rèn)為向陽(yáng)側(cè)存在溫度峰值，其規(guī)定橫向溫度梯度計(jì)算公式為

Tx=T02e-ax

(3)

式(3)中：T02為沿寬度方向的溫度梯度，取值為16 ℃；a為系數(shù)，取值為7 m-1；x為計(jì)算點(diǎn)至箱梁外表面的距離。

底板2020年1月14日橫向溫度梯度分布與中國(guó)鐵路規(guī)范的對(duì)比，如圖14所示。

圖14 中國(guó)鐵路規(guī)范-實(shí)測(cè)對(duì)比圖Fig.14 Comparison of standard box girder of Chinese railroad and measured

由圖 14可以看出，目前存在的中國(guó)鐵路規(guī)范在橫向溫度梯度的計(jì)算上存在不足，特別是對(duì)于背陽(yáng)側(cè)的橫向溫度梯度效應(yīng)存在明顯誤判：中國(guó)鐵路規(guī)范認(rèn)為背陽(yáng)側(cè)橫向溫度梯度趨近于0 ℃，而根據(jù)實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，底板背陽(yáng)側(cè)橫向溫度梯度為7.4 ℃，這是由于外界環(huán)境產(chǎn)生的熱量使箱梁表面混凝土溫度升高。

因此在考慮箱梁橫向溫度梯度時(shí)，還需考慮背陽(yáng)側(cè)表面混凝土的橫向溫度效應(yīng)。篩選每日12：00—16：00向陽(yáng)側(cè)和背陽(yáng)側(cè)的溫度梯度，橫向溫度梯度，如圖15所示。

圖15 橫向溫度梯度直方圖Fig.15 Histogram of lateral temperature gradient

由圖 15可知，背陽(yáng)側(cè)和向陽(yáng)側(cè)分別服從參數(shù)為W(1.359,2.372)和W(1.256,3.690)的Weibull分布。取溫度作用代表值的重現(xiàn)期為50年，《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2015)中規(guī)定橋梁的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為100年,則溫度作用設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)超過(guò)代表值的次數(shù)為2，超越概率為98%，分別計(jì)算得到實(shí)橋背陽(yáng)側(cè)、實(shí)橋向陽(yáng)側(cè)、模型背陽(yáng)側(cè)和模型向陽(yáng)側(cè)代表值分別為6.472 ℃和10.931 ℃。對(duì)式(3)進(jìn)行改進(jìn)，得

Tx=T02e-ax+T03e-a(b-x)

(4)

式(4)中：b為底板寬度，m；T03為背陽(yáng)側(cè)橫向溫度梯度，℃；a為系數(shù)。

針對(duì)本試驗(yàn)中實(shí)橋適用橫向溫度梯度計(jì)算公式為

Tx=10.931e-ax+6.472e-a(b-x)

(5)

3.2.3 腹板橫向溫度梯度

歐洲規(guī)范[24]指出，如果在大型混凝土箱梁橋梁的內(nèi)/外腹板之間可能出現(xiàn)明顯的溫差，則在設(shè)計(jì)此類結(jié)構(gòu)時(shí)需特別注意。由于冬季太陽(yáng)高度角低，因此選取冬季向陽(yáng)側(cè)腹板溫度梯度進(jìn)行討論。以測(cè)點(diǎn)83為例，測(cè)點(diǎn)83和測(cè)點(diǎn)75的溫度差值為其橫向溫差。1月14日測(cè)點(diǎn)83、84、85、86和87處橫向溫差時(shí)程曲線，圖16所示。

圖16 橫向溫差分布圖Fig.16 Distribution of lateral temperature difference

由圖16可知，向陽(yáng)側(cè)腹板最大橫向溫差時(shí)刻出現(xiàn)在16時(shí)，最大值出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)83處，為7.9 ℃。不過(guò)沿腹板厚度僅有兩排測(cè)點(diǎn)，需通過(guò)數(shù)值模擬進(jìn)行準(zhǔn)確分析。

4 有限元分析

4.1 材料屬性設(shè)置

混凝土的比熱容為單位質(zhì)量混凝土溫度升高1 ℃所需的熱量，計(jì)算公式[25]為

C=∑piCi

(6)

式(6)中：pi為配合比各組分百分比；Ci為各組分比熱。

混凝土熱工參數(shù)如表1所示，計(jì)算得該模型的比熱容為0.882 kJ/(kg·℃)。

表1 混凝土熱工參數(shù)Table 1 Thermal parameters of concrete

4.2 邊界條件設(shè)置

4.2.1 對(duì)流邊界條件

根據(jù)第二類邊界條件，混凝土箱梁各表面對(duì)流散熱滿足條件[1]為

箱梁頂板：hs=4.67+3.83v

(7)

箱梁底板：hs=2.17+3.83v

(8)

箱梁腹板：hs=3.67+3.83v

(9)

箱梁內(nèi)壁：hs=3.5

(10)

式中：hs為對(duì)流換熱系數(shù)；v為實(shí)測(cè)風(fēng)速，m/s。

4.2.2 輻射邊界條件

翼板對(duì)腹板有遮蔽作用，在建模過(guò)程中，需考慮翼板遮陰效果的影響[17]如圖17所示。

h為太陽(yáng)高度角；aw為壁面方位角；as為太陽(yáng)方位角；β為壁面與水平面的夾角(78°)；KL為懸臂長(zhǎng)度(4.5 m)；SL為陰影長(zhǎng)度圖17 翼板對(duì)腹板遮陰作用Fig.17 Shading effect of the airfoil on the web

太陽(yáng)時(shí)角τ可由當(dāng)?shù)貢r(shí)間進(jìn)行計(jì)算，公式為

(11)

式(11)中：t0為當(dāng)?shù)貢r(shí)刻，h。

太陽(yáng)赤緯δ可由式(12)進(jìn)行計(jì)算，公式為

(12)

式(12)中：D為一年中計(jì)算日的天數(shù)；dspr為當(dāng)年春分距離當(dāng)年元旦的時(shí)間,d。

太陽(yáng)高度角θ可由式(13)進(jìn)行計(jì)算，公式為

θ=arcsin(sinψsinδ+cosψcosδcosτ)

(13)

式(13)中：ψ為當(dāng)?shù)氐木暥?，取橋址緯度?09°。

壁面方位角as可由式(14)進(jìn)行計(jì)算，公式為

(14)

陰影高度可由式(15)進(jìn)行計(jì)算，公式為

(15)

式(15)中：r為橋梁外法線方向角，取20°。

以16點(diǎn)為例，繪制2021年全年的腹板遮陰長(zhǎng)度分布圖，如圖18所示。

圖18 全年16：00遮陰長(zhǎng)度分布圖Fig.18 Distribution of shade length at 16：00 throughout the year

由圖18可知，在全年的第96～246天(2021年4月7日—9月4日)，向陽(yáng)側(cè)腹板16：00均被翼緣板陰影覆蓋，在其他日期內(nèi)，向陽(yáng)側(cè)腹板最底部測(cè)點(diǎn)均會(huì)在16：00被太陽(yáng)直射。因此針對(duì)遮陰處和直射處需分開討論。以1月14日為例，將實(shí)測(cè)太陽(yáng)輻射和太陽(yáng)散射數(shù)據(jù)施加到邊界上，如圖19所示。

圖19 太陽(yáng)直射-散射關(guān)系圖Fig.19 Solar direct-scattering relationship

4.3 單元尺寸劃分

采用DIANA軟件建立數(shù)值模型，共劃分10 572個(gè)HX24L實(shí)體單元，熱邊界劃分3 960個(gè)BQ4HT對(duì)流邊界單元。在熱邊界上輸入大氣溫度時(shí)程曲線。

4.4 數(shù)值模型驗(yàn)證

分別計(jì)算1月14日和8月5日溫度場(chǎng)分布狀態(tài)。以8月5日為例，選取頂板(測(cè)點(diǎn)67)、底板(測(cè)點(diǎn)45)、向陽(yáng)側(cè)(測(cè)點(diǎn)85)與背陽(yáng)側(cè)(測(cè)點(diǎn)17)實(shí)測(cè)值與計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，如果如圖20所示。

圖20 理論-實(shí)測(cè)對(duì)比圖Fig.20 Theoretical-measurement comparison chart

由圖20可以看出，圖20(a)～圖20(d)的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的決定系數(shù)R2分別為0.940、0.899、0.913和0.929，數(shù)值模擬的結(jié)果對(duì)實(shí)測(cè)溫度預(yù)測(cè)準(zhǔn)確，證明有限元結(jié)果與單箱三室箱梁全截面溫度測(cè)試結(jié)果吻合。

分別繪制1月14日和8月5日20時(shí)溫度場(chǎng)分布云圖，如圖21和圖22所示。

圖21 1月14日溫度場(chǎng)分布云圖Fig.21 Cloud map of temperature field distribution on January 14th

圖22 8月5日溫度場(chǎng)分布云圖Fig.22 Cloud map of temperature field distribution on August 5th

由圖21和圖22可知，由于夏季太陽(yáng)輻射高于冬季，夏季豎向溫度梯度明顯大于冬季。以20：00為例邊腹板最大豎向溫度梯度分別為12.4 ℃和5.3 ℃。由于冬季太陽(yáng)高度角低于夏季，腹板橫向溫度梯度明顯大于夏季。選取向陽(yáng)側(cè)腹板，繪制夏季和冬季腹板橫向溫差曲線圖，如圖23所示。

圖23 向陽(yáng)側(cè)腹板橫向溫度時(shí)程曲線圖Fig.23 Time course graph of transverse temperature of sunny side webs

由圖23可知，腹板中點(diǎn)處在冬季和夏季被太陽(yáng)直曬的時(shí)間分別為16：00和18：00，由于太陽(yáng)直射作用大于太陽(yáng)散射，因此冬季外表面溫度峰值出現(xiàn)在16：00，夏季外表面峰值出現(xiàn)在18：00。冬季腹板最大橫向溫度梯度峰值出現(xiàn)在16：00，為12.8 ℃，夏季腹板最大橫向溫度梯度峰值出現(xiàn)在18：00，為5.07 ℃。說(shuō)明溫度峰值出現(xiàn)在腹板受太陽(yáng)直射時(shí)，輻射值最大的時(shí)刻，而非太陽(yáng)輻射最大的14：00。

5 結(jié)論

在王家河特大橋橋址放置了混凝土箱梁溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)模型，在箱梁截面上埋設(shè)大量溫度測(cè)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了箱梁全截面的二維太陽(yáng)輻射溫度場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量，在被測(cè)截面上建立局部坐標(biāo)系，得到結(jié)論如下。

(1)太陽(yáng)輻射測(cè)試結(jié)果存在季節(jié)性，夏季太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈。風(fēng)速測(cè)試結(jié)果無(wú)季節(jié)性特征。箱梁平均溫度在夏季和冬季變化較大，分別為5.2 ℃和4.1 ℃，平均溫度的每日最值可用大氣溫度進(jìn)行估計(jì)。

(2)受對(duì)流作用影響，中腹板除頂?shù)撞繙y(cè)點(diǎn)外變化極小可被忽略。受太陽(yáng)輻射作用影響，向陽(yáng)側(cè)邊腹板豎向溫度梯度大于背陽(yáng)側(cè)豎向溫度梯度。夏季豎向溫度梯度大于冬季溫度梯度。

(3)受太陽(yáng)高度角影響，冬季向陽(yáng)側(cè)照射時(shí)間比夏季長(zhǎng)。冬季箱梁最大橫向溫度梯度為12.0 ℃，大于夏季的4.7 ℃。

(4)箱梁橫向溫度梯度呈U形分布，背陽(yáng)側(cè)橫向溫度梯度的98%超越概率值為6.472 ℃?；谙蜿?yáng)側(cè)和背陽(yáng)側(cè)溫度梯度首次提出基于中國(guó)鐵路規(guī)范的修正公式。

(5)建立考慮遮陰長(zhǎng)度的溫度場(chǎng)模型，揭示了向陽(yáng)側(cè)腹板橫向溫度梯度冬季大于夏季的原因。