严寒地区矩形钢管混凝土截面温度分布的试验研究与工程应用

文献概况与研究背景

田智娟等人在《建筑科学与工程学报》2018年第35卷第5期发表的论文，以西宁市为严寒地区代表，对水平放置带加劲肋的矩形钢管混凝土构件进行了截面温度场现场测试试验。该研究得到青海省重点研发计划项目（2017-SF-137）资助。在严寒地区，桥梁和大型钢结构长期暴露于极端温度环境中，年温差可达60°C以上，日照引起的局部温度梯度可达30°C~40°C。温度荷载作为不可忽略的结构作用，对钢管混凝土构件的应力状态、变形行为和长期耐久性具有重要影响。本文的研究成果对严寒地区桥梁设计和施工具有直接的工程指导价值。

温度场分布规律与影响因素

文献通过现场测试和有限元模拟，揭示了以下关键温度分布规律：

从传热学角度分析，钢管混凝土构件的截面温度场是一个典型的一维非稳态传热问题。钢管的导热系数（约16 W/(m·K)）远高于混凝土（约1.7 W/(m·K)），因此钢管温度变化响应快，而混凝土温度变化滞后明显。矩形截面相比圆形截面，日照直射面积更大，温度梯度更显著。纵向加劲肋的存在增大了钢管与混凝土的接触面积，增强了热传递效率，使混凝土温度变化滞后程度降低，截面梯度温差减小。这一发现对加劲肋的设计具有双重意义：一方面加劲肋提高了截面刚度，另一方面也优化了温度分布均匀性。

有限元热力学模型与验证

文献将三维温度场简化为二维温度场进行分析，建立了ABAQUS有限元热力学分析模型。模型中考虑了太阳辐射、风速和环境温度等边界条件。太阳辐射采用辐射通量边界条件施加于构件受照表面，风速通过对流换热系数（h）体现，环境温度作为环境温度边界条件。材料热物性参数包括导热系数、比热容和密度，其中混凝土的导热系数随温度和含水率变化，建议在模型中采用温度相关函数。

模型验证结果显示，钢管测点和管内混凝土测点的实测温度与有限元计算值吻合良好，验证了模型的可靠性。在工程应用中，建议采用以下参数取值范围：太阳辐射通量按当地气象数据取值，西宁市夏季峰值约800~1000 W/m²；对流换热系数h取10~25 W/(m²·K)，风速越大h值越高；钢管发射率取0.85~0.95，混凝土发射率取0.90~0.95。

温度荷载对结构性能的影响与对策

温度梯度引起的温度应力是钢管混凝土构件设计中不可忽视的因素。对于矩形截面钢管混凝土柱，截面温度梯度会导致构件产生附加弯矩，可能引起构件的弯曲变形和附加应力。在严寒地区，冬季环境温度与日照温度的叠加效应可能使构件表面温度在-30°C~+40°C范围内波动，温度应力可达数十MPa量级。

学习心得与工程启示

这篇文献的研究方法——现场测试与数值模拟相结合——是温度场研究的经典范式，其成果对严寒地区桥梁和大型钢结构设计具有直接指导价值。在实际工程中，我曾参与某高寒地区高速公路桥梁的钢管混凝土桥墩设计，设计阶段未充分考虑温度荷载，施工后冬季发现桥墩表面出现细微裂缝。后经温度场模拟分析，发现日照引起的截面温度梯度导致附加弯矩超出设计预期。改进方案包括：增加桥墩截面尺寸10%~15%，在桥墩顶部设置滑动支座释放温度变形，并在混凝土中掺入膨胀剂补偿收缩裂缝。文献中关于加劲肋对温度分布影响的发现尤为值得关注——加劲肋不仅提高结构刚度，还通过增大热传递面积降低截面温度梯度，这一"一石二鸟"的效果在结构设计优化中值得充分利用。此外，建议后续研究关注温度疲劳效应，即长期温度循环对钢管混凝土构件疲劳寿命的影响，这在严寒地区桥梁的长期耐久性评估中具有重要意义。