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基于健康监测的钢-混组合梁桥温度效应分析

来源：五一七教育网

第33期2021年11月江苏科技信息

JiangsuScience&TechnologyInformationNo.33November，2021基于健康监测的钢-混组合梁桥温度效应分析

邹宗民1，，褚

222

锋1，，付文博1，，李子豪1，，王

越1，

2.桥梁结构大数据与性能诊治提升交通运输行业重点实验室，山东济南250002）

摘要：为确定钢-混组合梁桥的温度效应，文章选取某60m钢-混组合梁桥为研究对象，采用健康监测

技术和有限元模拟分析了不同温度梯度作用下钢-混组合梁桥的温度效应。研究结果表明：（1）混凝土板与钢梁达到最高温度的时间稍有滞后，截面竖向高度范围内最大温差为15.7℃；混凝土板横向温差仅0.4℃，钢梁腹板横向最大温差2.9℃。（2）在正温度梯度作用下混凝土板上缘受压、下缘受拉，混凝土板最大拉应力为1.3MPa，负温度梯度作用下混凝土板上缘最大拉应力为1.2MPa。（3）在实测正温度梯度作用下，混凝土板最大拉应力略高于现行中国规范的温度效应，在结构分析计算时应基于实测温度数据选用合理的温度梯度模式。关键词：钢-混组合梁桥；温度效应；健康监测；温度梯度中图分类号：U446.2文献标志码：A

（1.山东高速工程检测有限公司，山东济南250002；

0引言

钢-混组合梁桥具有自重轻、施工便捷、结构受力

相对滑移和温度应力的理论计算公式。李启成［9］以组合钢板梁桥为背景，通过有限元方法对不同规范中温度梯度模式进行对比分析。

目前，不同规范中均给出了钢-混组合梁桥的温度梯度模式，为钢-混组合梁桥的设计提供了重要的技术依据。然而，日照、气象、地理环境等外在环境的不同，开展钢-混组合梁桥在实际温度荷载作用下的结构响应研究意义重大。本文选取山东枣木高速东延线某60m跨钢-混组合梁桥，采用健康监测技术和有限元模拟，分别对不同温度梯度作用下钢-混组合梁桥的温度效应进行研究。1

工程背景及健康监测系统布设

山东枣木高速东延段某60m跨简支钢箱组合梁桥开展温度监测（见图1）。单幅桥宽12.75m，设置了2个行车道、1个紧急停车带，桥面横坡4%。截面采用分离式双箱截面，槽形钢梁之间设置了工字形横梁，钢梁与混凝土桥面板之间采用栓钉连接，桥面铺装采用2cm厚沥青砂+8cm沥青混凝土。钢梁底板

性能好的优点，被广泛应用于大、中跨径桥梁。由于两种材料的线膨胀系数不同，在温度发生变化时易导致混凝土板开裂、混凝土滑移等现象，严重影响结构整体受力［1］。因此，开展钢-混组合梁桥温度效应研究对优化设计具有重要的工程意义。

桥梁结构温度效应的研究开始于20世纪50年代，早期研究围绕混凝土桥梁开展得较多［2］。Dilger等［3］基于钢-混凝土组合箱梁温度场监测数据，开发预测程序对箱梁截面温度场进行模拟，同时研究了两跨连续梁桥的温度效应。苏靖海等［4］、陈彦江等［5］以钢-混凝土组合梁桥实际工程为研究对象，通过有限元分析确定了不同温度梯度模式下的桥梁结构响应。强俊涛等［6］、王力等［7］分别对波形钢腹板组合箱梁桥进行温度监测，提出日照作用下结构的二维温度梯度模式。刘永健等［8］针对混凝土板与钢梁中任意分布的温度形式，推导了钢-混凝土组合梁界面剪力、

基金项目：山东省交通科技计划项目；项目名称：基于全寿命周期的钢混组合桥梁建管养一体化技术研究；项目编号：2017B40。作者简介：邹宗民（1971—），男，山东肥城人，研究员，学士；研究方向：钢桥与组合结构桥梁。

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No.33November，2021钢梁腹板上翼缘底面，Ti-6~Ti-9距离Ti-5分别为200mm，400mm，1000mm，1600mm，Ti-10位于钢梁底面。

温度传感器采用北京基康仪器有限公司研发的高精度热敏电阻温度传感器，现浇混凝土板内采用埋置式BGK3700，钢梁表面采用表贴式BGK-FBG4700S。传感器测量范围为-30~+70℃，测试灵敏度0.1℃，采用陶瓷封装技术可以有效保证测量精度与可靠性。温度传感器经预留保护管道接入光纤光栅解调仪，包括数据采集、分析模块、网络通信等部分实现多通道同步动态测量、查询、传输等功能。2

图1

枣木高速东延段钢-混组合梁桥

钢-混组合梁桥温度实测分析

实桥温度监测自2019年9月通车运营时开始，至

今已累计获取20个月的现场实测数据。选取夏季

宽3.3m，腹板平均高度2.15m，混凝土板厚由钢梁腹板间30cm逐渐变化至钢梁腹板上方45cm。钢梁之间净间距3.15m，两侧混凝土板悬臂长度为1.5m。

选取简支梁跨中断面进行监测，分别在钢梁腹板、底板和现浇混凝土板内布置温度传感器，如图2所示。截面共布置45个温度测点，其中现浇混凝土板内19个，钢梁腹板及底板26个。横桥向温度测点主要布置在钢梁腹板位置处，每个腹板处布置10个温度测点（编号Ti-1~Ti-10，i代表腹板编号），4个测点位于现浇混凝土板内，6个测点布置在钢梁腹板。在箱室中间混凝土板顶面和钢梁底板分别设置温度测点CT1，ST1，CT3，ST3，此外在分离式钢梁之间的现浇混凝土板顶面布置温度测点CT2。温度测点竖向间距参考现有规范中温度梯度模式确定［10］，Ti-1位于现浇混凝土板顶面，Ti-2、Ti-3距离Ti-1分别为150mm，300mm，Ti-4位于混凝土板底面；Ti-5位于

高温天气，按照2h间隔进行截面竖向温度分布研究，向阳侧1#腹板连续24h的截面温度变化曲线如图3所示。

夏季温度升高时间为06：00—14：00，温度降低时间为16：00—04：00（见图3），14：00钢梁各测点温度升至最高，18：00混凝土板温度升至最高，此时截面产生的正温度梯度最大，最大温差为15.7℃。04：00左右截面各测点温度降至最低，截面高度方向温过程中截面温度自混凝土板顶板至钢梁底板逐渐降低，降温过程中混凝土板顶面和钢梁降温较快，而混凝土板内部降温速度有一定的滞后。

选取夏季高温天气下温度监测数据，分别对不同腹板竖向温度分布和等高度处温度横向分布进行分析。以温度升至最高时为例，1#~4#腹板的竖向温度分布如图4所示，现浇混凝土板内测点除Ti-4温度出温度几乎一致，混凝土板内温度略高于钢梁温度。升

图2实桥温度传感器布设（单位：cm）

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No.33November，2021图3钢-混组合梁桥夏季24h内竖向温度分布

图4钢-混组合梁桥横向温度分布

现变化，其他腹板位置处测点温度几乎一致。钢梁温度差异显著，1#腹板被太阳直接照射温度明显高于其他腹板，2#腹板温度低于1#腹板，3#、4#腹板温度较为接近，均低于1#、2#腹板。运营条件下桥面铺装直接受太阳照射，均匀传热到混凝土板，而混凝土板底面由于受钢主梁温度的影响出现差异。3

钢-混组合梁桥温度效应分析

钢-混组合梁桥在竖向温度梯度作用下，钢梁与混凝土板温度变化规律略有差异，而两种材料线膨胀系数相对接近，因此简支组合梁桥在温度作用下截面

产生温度应力。为分析结构温度效应，采用Midas/Civil建立60m跨简支钢-混组合梁桥有限元模型，如图5所示。截面采用“联合截面”模拟，上部翼缘板采用C50混凝土，下部钢梁采用Q345D，现浇混凝土板配筋采用HRB400，现浇层上缘配置98根φ16钢筋，预制板上、下缘分别配置φ16，φ12的受力主筋。分别采用实测截面温度与国内外规范中温度梯度模式进行加载，以分析钢-混组合梁桥温度效应。

有限元计算结果如表1所示。在实测正温度梯度作用下，混凝土板上缘受压、下缘受拉，最大压应

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No.33November，2021图5钢-混组合梁桥有限元模型

表1不同温度梯度下钢-混组合梁桥应力分析结果

温度来源实测数据

梯度模式

+-+-+-+-混凝土板上缘应力/MPa

-3.5-3.1-6.1-3.21.01.81.61.2混凝土板下缘应力/MPa

1.31.11.71.6钢梁下缘应力/MPa

-1.3-1.1-2.0-2.44.80.61.71.8-0.8-0.6-0.5-0.7中国规范

美国规范

欧洲规范

注：“+”表示正温度梯度，“-”表示负温度梯度。

力为-3.5MPa，最大拉应力为1.3MPa，钢梁下缘应力-1.3MPa。负温度梯度作用下，混凝土板上缘拉应力为1.2MPa，下缘压应力-0.8MPa，钢梁下缘应力1.8MPa。

分别选取中国规范［10］、美国规范［11］和欧洲规范［12］

应力略高，其他效应均小于欧洲规范，负温度梯度下混凝土板上、下缘应力高于欧洲规范，而钢梁部分应力远低于欧洲规范。4

结语

本文以山东枣木高速东延线某60m跨钢-混组合梁桥为研究对象，采用健康监测系统与有限元数值模拟，对运营状态下钢-混组合梁桥的温度效应进行研究，主要结论如下。

（1）混凝土板与钢梁达到最高温度的时候稍有滞后，18：00左右截面产生的正温度梯度最大，最大温差为15.7℃；混凝土板横向温度分布较为均匀，最大温差仅0.4℃，钢梁腹板横向最大温差2.9℃，向阳侧温度明显高于背阳侧。

（2）钢-混组合梁桥在正温度梯度作用下混凝土板上缘受压、下缘受拉，混凝土板最大拉应力为1.3MPa；负温度梯度作用下混凝土板上缘最大拉应力为1.2MPa。

的钢-混组合梁桥温度梯度模式进行对比分析，其中中国规范、美国规范的正温度梯度模式相似，负温度梯度分别取正温度梯度的50%，30%。由于温度效应常引起混凝土板开裂，因此要重点关注温度效应引起的混凝土板拉应力。根据分析结果，实测正温度梯度效应高于中国规范，而负温度梯度效应除混凝土板上缘拉应力低于中国规范，混凝土板下缘和钢梁下缘应力均低于中国规范。和美国规范（地区2）相比，实测正、负温度梯度效应均低于美国规范。欧洲规范正温度梯度与中国规范较为接近，而负温度梯度与中国规范、美国规范差异较大，钢梁部分负温度梯度为-8℃。实测正温度梯度作用下混凝土板上缘压

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No.33November，2021（3）在实测正温度梯度作用下，混凝土板最大拉应力略高于现行中国规范的温度效应，在结构分析计算时应结合实测温度数据选用合理的温度梯度模式。

参考文献

［1］樊健生，刘诚，刘宇飞.钢-混凝土组合梁桥温度场与温度效应研究综述［J］.中国公路学报，2020（4）：1-13.［2］蔡洁，周清忘，陈伟.大跨径连续梁桥中的温度应力研究［J］.江苏科技信息，2020（1）：51-53.

［3］DILGERWH，GHALIA，CHANM，etal.Tempe-raturestressesincompositeboxgirderbridges［J］.［4］苏靖海，段树金.钢-混凝土双面组合箱梁日照温度效应研究［J］.石家庄铁道大学学报（自然科学版），［5］陈彦江，王力波，李勇.钢-混凝土组合梁桥温度场及温度效应研究［J］.公路交通科技，2014（11）：85-91.［6］强俊涛，姚晨，张峰，等.波形钢腹板组合桥梁温度效应研究［J］.公路，2016（3）：54-57.2013（4）：11-14.

JournalofStructuralEngineering，1983（6）：1460-1478.

［7］王力，刘世忠，路韡，等.新型波形钢腹板组合箱梁温度效应［J］.浙江大学学报（工学版），2021（4）：675-［8］刘永健，刘江，张宁，等.钢-混凝土组合梁温度效应的解析解［J］.交通运输工程学报，2017（4）：9-19.［9］李启成.基于不同规范下的钢板组合梁桥温度效应对比分析［J］.铁道建筑技术，2020（8）：32-37.［10］中华人民共和国住房和城乡建设部.钢-混凝土组合桥梁设计规范：GB50917—2013［S］.北京：中国建筑工业出版社，2014.

［11］AmericanAssociationofStateHighwayandTran-sportationOfficials.AASHTOLRFDBridgeDesignAASHTO，2014.

Specifications（7Edition）：LRFD-8［S］.Washington：［12］EuropeanCommitteeforStandardization.Eurocode1，ActionsonStructures，Part1-5：GeneralActions-EuropeanCommitteeforStandardization，2006.

（编辑

ThermalActions：EN1991-1-5［S］.Belgium，Brussels：

傅金睿）

683.

Temperatureeffectanalysisforsteel-concretecompositegirderbridge

basedonhealthmonitoring

ZouZongmin1,2,ChuFeng1,2,FuWenbo1,2,LiZihao1,2,WangYue1,2

（1.ShandongHigh-speedEngineeringInspectionCo.,Ltd.,Jinan250002,China;2.KeyLaboratoryofBridge

StructureBigDataandPerformanceDiagnosisTreatmentImprovement,Jinan250002,China）Abstract:Inordertodeterminethetemperatureeffectofsteel-concretecompositegirderbridge,a60msteel-concretecompositegirderbridgeisselectedastheresearchobject.Healthmonitoringtechnologyandfiniteelementsimulationareadoptedtoanalyzethetemperatureeffectofsteel-concretecompositegirderbridgeunderdifferenttemperaturegradients.Theresultsshowthat:（1）Thehighesttemperaturetimediffersbetweentheconcreteslabandthesteelgirder,themaximumtemperaturedifferenceis15.7℃intheverticalheightrangeofthecross-section.Thetransversetemperaturedifferenceofconcreteslabisonly0.4℃,andthemaximumtransversetemperaturedifferenceofsteelgirderwebis2.9℃;（2）Undertheactionofpositivetemperaturegradient,theupperedgeoftheconcreteslabiscompressiveandthebottomedgeistensile,andthemaximumtensilestressoftheconcreteslabis1.3MPa.Undertheactionofnegativetemperaturegradient,themaximumtensilestressoftheconcreteslabis1.2MPa;（3）Undertheactionofthemonitoringpositivetemperaturegradient,themaximumtensilestressofconcreteslabisslightlyhigherthanthetemperatureeffectofthecurrentChinesecode.Therefore,areasonabletemperaturegradientmodelshouldbeselectedbasedonthemeasuredtemperaturedataduringstructuralanalysisandcalculation.

Keywords:steel-concretecompositegirderbridge;temperatureeffect;healthmonitoring;temperaturegradient

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