日照作用下钢管混凝土桁拱温度场实测研究的学习体会

文献概况与工程背景

本文出自福州大学陈宝春和华侨大学刘振宇，发表于2011年《中国公路学报》第24卷第3期，通过对钢管混凝土桁拱肋进行现场温度监测和气象数据采集，研究了日照作用下桁拱弦管的温度分布规律及其引起的温度应力。钢管混凝土（CFST）桁拱结构在公路桥梁、铁路桥梁中应用日益广泛，其温度效应研究对于结构安全评估和施工控制具有重要指导意义。

钢管混凝土结构由钢管与核心混凝土共同工作，钢管在温度作用下会产生热胀冷缩，而混凝土的热膨胀系数与钢材不同，两者之间的温度差异会在界面产生附加应力。桁拱结构由于弦管数量多、空间布置复杂，各弦管的受光角度和日照条件存在差异，温度分布的不均匀性可能引发结构内力重分布。

试验方案与监测布置

温度测点布置

作者在拱肋截面中布置了温度测点，具体包括：

• 钢管外壁温度：反映日照直接加热效应
• 钢管内壁温度：反映钢管传热后的温度
• 核心混凝土温度：反映混凝土的温升情况
• 弦管与腹管节点区域温度：反映局部热交换

气象站数据采集

现场布置的小型气象站采集了以下气象参数：

温度分布规律分析

沿太阳升落方向平行的弦管

研究结果表明，在与太阳升落方向平行的系列弦管中，上弦管和下弦管的温度分布相近。这一发现具有重要的工程意义——在结构分析中，可将同一垂直面上的上下弦管视为具有相同的温度场，简化计算模型。

沿太阳升落方向垂直的弦管

在与太阳升落方向垂直的系列弦管中，左弦管和右弦管的温度分布接近。这说明桁拱结构在水平方向上的对称性使得两侧弦管在日照条件下具有相似的温度响应。

与单圆管的对比

一个关键发现是：桁拱各弦管的温度分布及平均温度与单圆管接近，实际分析中可按单圆管来考虑。这一结论大大简化了桁拱结构的温度分析，使得工程师可以使用成熟的单圆管温度场模型来评估桁拱结构的温度效应。

弦管间温差与温度应力

有限元分析

作者应用有限元法对各弦管的平均温度及温度应力进行了分析。有限元模型的关键设置包括：

• 几何模型：按桁拱实际尺寸建立，弦管和腹管分别建模。
• 材料模型：钢管采用弹塑性本构，混凝土采用考虑徐变和收缩的弹塑性模型。
• 温度场：基于实测温度数据施加温度荷载。
• 边界条件：按实际支座约束条件设置。

温度应力的计算需要考虑钢管与混凝土之间的约束效应。由于钢材的热膨胀系数（约12×10⁻⁶/°C）大于混凝土（约10×10⁻⁶/°C），在温度升高时，钢管的膨胀趋势受到混凝土约束，产生压应力；温度降低时则产生拉应力。

工程实践启示

温度效应在设计中的处理

1. 桁拱结构的温度分析可参照单圆管模型，无需为每根弦管单独建立温度场，显著降低计算工作量。
2. 弦管之间的温差引起的附加内力可忽略不计，简化了结构内力分析。
3. 腹管与弦管之间的温差效应同样可以忽略，节点区域温度应力不是控制因素。
4. 钢管与核心混凝土界面的温度应力需要专门分析，尤其在温度循环作用下可能产生界面损伤。

施工阶段的温度控制

• 钢管焊接施工应在环境温度适宜时段进行，避免高温天气下焊接导致的热影响区温度叠加。
• 混凝土浇筑应在钢管温度稳定后进行，减少浇筑初期的温度梯度。
• 夏季施工应考虑遮阳措施，降低钢管外壁温度峰值。

耐久性影响

长期日照温度循环会导致钢管外壁的涂层老化和混凝土表面的微裂纹萌生。对于处于腐蚀环境中的桁拱结构，温度循环与腐蚀介质的耦合作用可能加速结构劣化，需要在耐久性评估中予以考虑。

关键疑问与思考

一个值得进一步研究的问题是：在极端气候条件下（如沙漠地区的大温差、高纬度地区的极低温），桁拱结构的温度效应是否会超出本文结论的适用范围？本文的研究结论基于福建地区的温和气候条件，对于温差更大、日照强度更高的地区，弦管间的温差和温度应力可能需要重新评估。

此外，桁拱结构中弦管与腹管的连接节点在温度循环作用下的疲劳行为值得关注。虽然本文指出温差引起的应力较小，但长期温度循环的累积效应可能不容忽视。

学习心得

这篇文献通过系统的现场实测和有限元分析，揭示了钢管混凝土桁拱结构在日照作用下的温度分布规律，并提出了简化的工程分析方法。"按单圆管考虑"这一结论的实用价值巨大，它使得复杂的桁拱结构温度分析回归到成熟的单圆管理论框架内，大大降低了工程计算的难度。

从工程实践角度看，温度效应研究不应仅停留在理论分析层面，而应与结构设计、施工控制、运营监测形成闭环。实测数据为理论模型提供了验证基础，而理论分析又为工程决策提供了依据。这种"实测驱动+理论指导"的研究范式值得在更多结构类型中推广。同时，随着气候变化的加剧，温度效应在结构安全中的权重正在上升，相关研究具有重要的时代意义。