钢-混凝土组合结构桥梁温度场及温度效应研究

Remarkable temperature variation and non-ignorable thermal stresses exist in bridges due to the ever-changing environment factors such as solar radiation and ambient temperature. Due to the distinguishing material thermal parameters of steel and concrete, the temperature field of composite steel-concrete bridges has its own characteristics; calculation of the structural responses based on current Chinese bridge design specification, in which the thermal loads was established on temperature field theories of concrete bridges, may lead to bias. This project plans to conduct research on the temperature field and thermal effects of composite steel-concrete bridges, by methods of numerical simulation, analytical research, model tests and bridge temperature observation. Firstly, full-bridge FEM model for thermal field simulation will be established to find the typical worst temperature distribution patterns. Secondly, thermal experiments under laboratory conditions and real environments will be carried on for parametric calibration and results check of the FEM models. Finally, design recommendations for temperature loads of composite bridge will be proposed based on reliability theory. The implement of this project is expected to have guiding significance to promote the design safety and durability level for composite steel-concrete bridge under thermal loads.

太阳辐射、气温等环境因素的改变将在桥梁结构中产生显著的温度变化和不可忽略的温度应力，对桥梁设计的安全性和耐久性有重要影响。由于钢和混凝土材料热工参数的差异，钢-混凝土组合结构桥梁的温度场具有自身的特点，采用基于混凝土桥梁温度场理论的温度荷载来计算组合桥的温度响应可能存在较大偏差。本项目计划采用数值模拟、理论推导、模型试验和实桥测试等方法对钢-混凝土组合桥的温度场和温度效应进行研究。首先，建立可反映组合桥梁特征的温度场及结构响应数值模拟平台，得到桥梁的典型温度分布模式。其次，分别在实验室条件和实际桥梁环境下进行温度场测试和温度效应试验，获得的数据可对数值模型进行标定和检验。最后，基于可靠度理论和不同区域的气象特征提出可供设计使用的组合桥梁温度荷载模型，分析多类组合桥的温度响应特征。本项目成果有助于更准确合理认识组合结构桥梁的温度分布模式和结构响应机理，并可供工程设计参考。

钢-混凝土组合桥梁温度场和温度效应的研究对保证组合桥梁的安全性和耐久性具有重要意义。本项目对组合桥梁的温度场和温度效应展开研究，重点开展了模型试验、数值模型开发、温度荷载极值分析等工作，取得的主要研究成果如下：.（1）设计一组组合箱梁桥节段的温度场试验，分别在室内采用烤灯辐射和在室外进行日照辐射。通过温度传感器和应变计测量了试件的温度场和温度应变，并对不同条件下的试件温度分布进行归纳总结。提出了组合桥日照温度场的三种不利温度分布模式。.（2）建立了组合桥日照温度场精细分析的理论模型，并在通用有限元软件ABAQUS平台开发实现，其中太阳辐射和遮挡效应的模拟通过UFLUX子程序二次开发实现。通过对温度场试验和已有文献中的试验数据进行检核，验证了精细数值模型的准确性和可靠性。.（3）在平截面假定基础上推导了桥梁截面二维温度场的分解公式。以标定后的精细数值模型为基础进行广泛的参数分析，讨论了季节、桥梁朝向、桥梁几何尺寸、沥青铺装层等对组合桥日照温度场的影响，确定了组合桥梁最不利温度效应的参数组合。.（4）为提高计算效率，开发了组合桥日照温度场的高效数值模型，并采用数值计算软件Matlab编程实现。通过与精细日照温度场数值模型的对比，验证了高效数值模型的准确性和效率。提出了组合桥日照温度场的两种竖向温度分布模式对应的简化公式。.（5）引入极值理论，建立了由地区气候统计资料计算组合桥设计温度荷载的计算框架。在此框架下，计算了我国主要城市的50年一遇的温度荷载数值，并绘制了我国组合桥的温度荷载取值的区域分布图。.（6）对典型三跨连续组合直线梁桥和曲线梁桥的温度效应进行了算例研究，并对曲线组合梁桥针对温度效应的支座布置方式进行了优化。.（7）在包括桥梁、隧道、建筑等多项工程中，直接应用了项目所发展的温度效应计算理论和方法。