耿文宾，刘 康，周俊龙，林金地

（1.中国建筑第六工程局有限公司，天津 300451；2.中建桥梁有限公司 重庆 402260；3.中建工程产业技术研究院有限公司，北京 101300）

钢桁梁结构的温度场具有复杂性、实时性、多样性，温度的大小和分布受环境影响因素较多，与桥梁所处的地理位置、地形特点、桥梁方位、温度、风速、日射强度、日射角度等因素均有一定关系[1]。钢桁梁受温度作用产生的变形和应力对桥梁前期结构设计、架设过程中杆件的拼装与合龙及成桥后整个桥梁结构的健康监测都有很大影响，因此深入研究钢桁梁在复杂环境下的温度场对结构设计和施工的影响有重要意义。

目前，我国学者针对大跨钢桁梁桥温度效应进行了一定研究。向中富等[2]通过比较不同温差作用下钢桁梁与桥面板连接部位的变形和受力情况，研究了温差效应对结构的影响程度。陈玉骥等[3]将下承式桁梁结合梁等效为箱形梁，用变分法求出了下承式桁梁结合梁温度效应的级数解。肖勇刚等[4]运用MIDAS Civil软件建立有限元模型，分析主梁自重、结构材料弹性模量、整体温度和局部温差对大桥主梁纵向位移及斜拉索内力的影响。王蔓亚等[5]通过采集郑州黄河公铁两用桥钢桁梁温度场的健康监测数据，利用极值分析方法对结构竖向、纵向、横向温差以及关键部位构件截面温差进行计算，研究分析得到其温差分布特性。施文彬等[6]研究了施工过程中温度场对板桁结合斜拉桥控制线形的影响效应。蔡巍等[7]以三跨刚性梁柔性拱结构为例，对钢结构表面温度及联端活动支座位移进行现场实测，采用MIDAS Civil软件建立有限元模型对板桁组合梁的温差效应进行分析。李卫华等[8]运用无应力状态法，对合龙与成桥两个目标状态进行施工监控，通过不间断施工测量，过滤温度影响后，调整杆件安装工序，来控制钢桁梁悬臂架设线形。

针对斜拉桥钢桁梁施工过程中结构刚度大导致误差调整难度大、施工监控目标较多以及温度效应影响显著等问题，本文基于高-矮塔公轨两用斜拉桥钢桁梁布设温度监测系统，实测太阳辐射下钢桁梁杆件的温度场，根据实测数据，分析不同部位、不同截面、不同照射角杆件有关温度的同性和差异性，提高斜拉桥钢桁梁合龙和成桥线性质量，通过总结钢桁梁的温度场分布规律和特点，为钢桁梁桥的温度场分析和研究提供借鉴和参考。

1 工程概况

重庆红岩村嘉陵江大桥主桥为高低塔双索面公轨两用钢桁梁斜拉桥，跨径布置为91.4 m+138.6 m+375 m+120 m+7.8 m。主梁采用双层等高度连续钢桁梁，上层为城市快速路（双向6车道），下层为轨道交通5号线（双线）+城市支路（双向4车道）。主桁为三角桁架，桁宽28.2 m、高11.163 m，标准节段钢梁包括上弦杆、下弦杆、上桥面板、下桥面板、斜腹杆，加宽段钢梁增加了悬挑桥面板、横梁、边纵梁、斜拉杆等构件。

2 温度场监测方案设计

由于组成钢桁梁各构件的钢板较薄，有良好的热传递性能，假设钢板沿厚度方向温度不变，不考虑沿厚度方向的热流动，则在钢桁梁钢板外壁布设温度测点，通过实测钢结构表面温度来研究钢桁梁该构件钢板温度场的变化情况。

采用北京基康温度传感器及中建测控无线测控仪采集系统，通过自动化温度采集系统采集各测点的温度数据，采集温度的时间间隔为300 s。

为研究纵桥向不同位置处的杆件温度场，选取典型位置处的杆件布置温度传感器；为研究矩形截面杆件受太阳辐射下的温度场，通常在典型的杆件四周各布置1个温度传感器进行测试，选取不同杆件进行表面温度测试。通过测量主桁梁温度场及其变化，得出钢桁梁各部位温度变化情况及最大日照温度梯度。见图1。

图1 温度传感器布置

3 监测结果与分析

选取连续非降雨期间的监测数据。本文选取2020年11月12日—11月20日现场主桁梁温度监测点的温度监测结果，采用连续观测数据平均值并通过拟合处理进行分析。

3.1 结构竖向温度分布特性

选取高塔附近桁架的上层桥面板、腹杆、下层面板、节点板的测点温度来描述钢主桁梁整体竖向温度分布特性。

太阳直射下无任何遮挡物的上层桥面板上温度测点最高温度发生在15：00左右，为41.5℃；最低温度发生在7：30左右，为22.5℃，最接近当日环境最低温度22℃。下层桥面板杆件中心位置处温度测点最高温度发生在16：30左右，为38.8℃；最低温度发生在8：00左右，为23.3℃。斜腹杆中心位置处温度测点最高温度发生在17：00左右，为32.5℃；最低温度发生在8：30左右，为23.8℃。节点板空间较密闭位置处温度测点最高温度发生在18：30左右，为31.4℃，最接近当日环境最高温度30℃；最低温度发生在10：00左右，为24.7℃。0：00—7：00期间4个部位的温度比较接近，温差在4℃内且该时间段温度变化呈线性递减；10：00—15：00期间4个部位的温度均有明显升高，变化率最大的是上层桥面板处，变化率最小的是节点板较密闭位置处，变化率从大到小依次是上层桥面板、下层面板、腹杆和节点板且温度变化率越大的测点出现转折点的时间越早。日照对上层桥面板的结构温差影响最大，对下层节点板的结构温差影响最小，出现该情况的原因主要是因为上桥面板接受日照辐射大。见图2。

图2 竖向温度分布特性

3.2 结构纵向温度分布特性

结构纵向温度由桥梁纵向不同截面处的相同构件温度来描述，为减小施工因素对数据采集的影响，选取3个不同截面位置处下弦杆(测点2、5、12)温度样本来表征钢主桁整体纵向温度分布特性。

3个不同截面位置下弦杆最低温度均发生在8：00左右，温度值几乎相同，约为18℃；最高温度均发生在16：00左右，测点2、5、12的温度分别为31.8、30.8、29.3℃。已知测点2位于长江岸边，测点5位于长江浅滩区，测点12位于长江深水区，则越靠近深水区的下弦杆与大气温差越小，出现该现象的原因是水的比热容大且深水区江水流速快，相比于岸边和浅滩区对钢桁梁杆件的温度影响更大。见图3。

图3 纵向温度分布特性

3.3 矩形箱形杆不同面板温度分布特性

选取24 h背对太阳光的测点7和测点8及午后可照射太阳光的测点9和测点10，分析杆件不同照射方向面板温度分布特性。

测点7、8、9、10最低温度均发生在8：00—9：00，分别为18.0、18.5、19.1、20.0℃；测点7和测点8最高温度发生在18：00左右，测点9和测点10最高温度发生在17：00左右，分别为27.3、27.8、30.1、34.6℃。24 h内4个测点的最低温度比较接近，但背对太阳光的测点7、8最高温度和温差明显低于午后可照射太阳光的测点9、10，出现此现象的原因是背对太阳光的测点7、8受太阳热辐射的影响小，而测点9、10所在方向面板受太阳热辐射的影响大；测点7、8的最高温度滞后于测点9和测点10的最高温度约1 h，出现此现象的主要原因是矩形箱形杆件温度高的面板向温度低的面板进行热传递。见图4。

图4 不同照射方向面板温度分布特性

4 结论

1）太阳辐射强度是影响钢桁梁温度和温差分布的关键因素，钢桁梁杆件随外界气温变化而变化。白天9：00—18:00钢桁梁温度变化较大，其他时间钢桁梁温度变化幅度比较平缓。在无太阳辐射情况下，钢桁梁温度与外界大气温度变化相差不大，一般在2℃以内。在太阳辐射情况下，钢桁梁温度与外界大气温度变化相差较大且昼夜温差明显大于外界大气温差。

2）钢桁梁架设过程中下弦杆温度明显低于上弦杆温度，在施工过程中不仅要及时考虑温差对钢桁梁拼装的影响，还要考虑上下层杆件温差效应对钢桁梁产生的温度应力差。

3）钢桁梁不同截面位置的下弦杆温度不同，水的比热容对周边大气温度分布有一定影响，从而影响钢桁梁纵向温度变化。□■