考虑遮挡效应的钢管混凝土拱桁日照温度场研究的学习体会

文献概况与工程背景

本文发表于2020年《中外公路》第40卷第1期，由广西大学土木建筑工程学院林春姣、黄家祥与日照交通规划设计院李翔联合完成，受四川省科教计划项目（2018GZ0052）资助。研究针对进藏铁路上一座大跨度大管径桁式钢管混凝土拱桥，采用数值方法模拟计算了拱肋各弦管在夏季及冬季日照下的温度场分布，揭示了遮挡效应对温度场分布的显著影响。

从钢管制造与焊接技术的专业视角来看，日照温度场的不均匀分布会在钢管结构中产生温度应力，这些应力与机械荷载叠加后可能导致结构疲劳损伤。特别是对于钢管混凝土拱桥，钢管与混凝土之间的热膨胀系数差异会加剧温度应力的产生，对焊接节点和连接构造的疲劳性能构成威胁。

温度场分布特征分析

上弦管温度场特征

文献指出，上弦管受遮挡作用较小，钢管温度最高升温位置始终位于向阳面。这一现象符合太阳辐射的基本物理规律——太阳辐射直接照射在钢管向阳面，导致该区域温度急剧上升。钢管作为金属导体，导热系数较高（约50 W/(m·K)），向阳面吸收的热量会迅速向背阴面传导，但由于钢管壁厚相对较薄，温度梯度在壁厚方向上衰减较快。

管内混凝土的温度变化主要受整体环境温度影响，保持比较平稳的变化，受日照影响不明显。这一现象的原因在于混凝土的导热系数较低（约1.5~2.5 W/(m·K)），钢管向阳面的热量难以穿透钢管壁并传递到内部混凝土。此外，钢管壁本身形成了一层隔热屏障，有效阻隔了太阳辐射对混凝土的直接加热作用。

下弦管温度场特征

下弦管受到上弦管和拱肋结构的遮挡影响，整体温度场低于上弦管。外侧钢管温度变化较内侧明显，管内混凝土对日照作用不敏感。这一结果表明，遮挡效应对下弦管的温度场分布产生了显著影响，下弦管的温度变化幅度明显小于上弦管。

从结构受力角度分析，上下弦管温度场的差异会导致拱肋截面产生温度梯度，进而产生弯曲变形和附加内力。在极端温度条件下，这种温度梯度可能达到50℃以上，产生的温度应力不容忽视。

遮挡效应的量化分析

遮挡效应的物理机制

遮挡效应是指结构构件之间的相互遮蔽导致部分表面无法直接接受太阳辐射的现象。在桁式钢管混凝土拱桥中，遮挡效应主要体现在以下几个方面：

1. 上弦管对下弦管的遮挡：上弦管位于下弦管上方，在太阳高度角较低时（如冬季），上弦管会对下弦管产生显著遮挡。
2. 腹杆对弦管的遮挡：腹杆连接上下弦管，在特定日照角度下会对弦管产生局部遮挡。
3. 拱肋之间的相互遮挡：对于多跨拱桥，相邻拱肋之间可能产生相互遮挡效应。

温度场的非线性特征

文献指出，桁式钢管混凝土拱肋的各弦管截面温度场均与日照变化规律一致，并随日照变化呈现明显的非线性特征。这种非线性特征主要源于以下因素：

• 太阳辐射强度随太阳高度角的变化呈非线性分布。
• 钢管表面的辐射吸收率随温度变化而变化。
• 钢管与周围环境之间的对流换热系数随风速和温度差变化。
• 遮挡效应随太阳位置变化而动态变化。

工程实践中的温度应力控制

温度应力的产生机制

日照温度场的不均匀分布会在钢管混凝土拱桥中产生温度应力。温度应力的产生机制主要包括：

1. 约束温度应力：由于结构约束，温度变化产生的自由变形受到限制，从而产生温度应力。
2. 梯度温度应力：截面温度梯度导致截面弯曲变形，当变形受到约束时产生弯曲应力。
3. 界面温度应力：钢管与混凝土热膨胀系数差异导致界面处产生剪切应力和法向应力。

钢管的热膨胀系数约为12×10⁻⁶/℃，混凝土的热膨胀系数约为10×10⁻⁶/℃，两者差异虽不大，但在大温差条件下（如50℃温差），界面处产生的相对变形可达0.1mm/m以上，足以引起显著的界面应力。

温度应力的控制措施

基于文献结论和工程经验，提出以下温度应力控制措施：

• 温度梯度控制：在设计中分别取用上、下弦管的温度值，避免采用统一温度梯度，以准确反映温度场分布特征。
• 构造措施：在拱肋截面设置温度缝或伸缩缝，释放温度变形，减少温度应力。
• 材料选择：选用热膨胀系数较低的钢材和混凝土，减小温度应力的产生。
• 防护处理：在钢管表面涂覆反射涂料或隔热涂料，降低太阳辐射吸收率，减小温度变化幅度。
• 节点设计：在焊接节点处设置柔性连接或滑动构造，适应温度变形，避免应力集中。

焊接节点的温度疲劳

温度应力的反复作用会导致焊接节点产生温度疲劳。根据文献所述温度场的非线性特征，温度应力在一天之内会经历多次升降循环，长期累积效应不容忽视。

对于钢管混凝土拱桥的焊接节点，建议采取以下疲劳控制措施：

1. 采用全熔透焊缝，避免未熔合和根部缺陷。
2. 焊缝表面进行打磨处理，消除焊趾处的应力集中。
3. 在关键节点处设置应力释放槽或过渡圆角。
4. 定期进行无损检测（UT/MT），监测焊缝裂纹的萌生和扩展。
5. 在温度应力较大的节点处，考虑采用螺栓连接替代焊接连接，以适应温度变形。

学习心得与启示

本文的研究揭示了遮挡效应对桁式钢管混凝土拱桥温度场分布的显著影响，为工程设计和施工提供了重要参考。从钢管制造与焊接技术的角度看，温度场的不均匀分布会在钢管结构中产生复杂的温度应力，对焊接节点和连接构造的疲劳性能构成潜在威胁。

特别值得关注的是，文献指出上、下弦管的日照温度场有较大差别，设计中应分别取用温度值。这一结论对于实际工程设计具有重要的指导意义。在传统设计中，往往采用统一的温度梯度进行计算，忽略了遮挡效应的影响，可能导致温度应力计算不准确，进而影响结构安全。

从工程实践角度思考，温度应力的控制需要从设计、施工和运维全生命周期考虑。在设计阶段，应准确模拟温度场分布，合理设置温度缝和伸缩缝；在施工阶段，应控制焊接质量和节点构造，避免应力集中；在运维阶段，应定期监测温度应力和结构变形，及时发现和处理问题。

未来研究可进一步关注以下方向：一是考虑风荷载和日照耦合作用的温度场分析；二是钢管混凝土拱桥温度疲劳寿命预测；三是新型隔热材料和防护涂层在拱桥温度控制中的应用；四是基于传感器网络的温度场实时监测与预警技术。这些研究将有助于提升钢管混凝土拱桥的安全性和耐久性。