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高原冬季环境下桥梁温度场各参数的确定向学建1，董军2，刘昊苏2，张劲泉1，李万恒1(1.交通运输部公路科学研究院，北京100088；2.北京建筑工程学院北京100088)摘要：以青海省海东地区循化县积石峡黄河大桥为工程背景，着重讨论了影响积石峡一黄河大桥箱梁冬季温度场的相关参数，并针对于高原地区冬季条件下箱梁温度场的边界条件的确定进行了较为深入的研究。文中选取积石峡一号黄河大桥作为试验算例，在大量实测数据的基础上，参考当地气象资料，对太阳辐射、对流气温等温度场初始条件与边界条件的施加进行了大量的讨论，并将数值试验结果与实测比较，最终确定相关参数。最后使用所选取的参数，对一号黄河大桥进行了算例检验，数值仿真结果与现场观测结果吻合，表明参数具有较好的精确性和可靠性。相关研究结果不但为后续研究积石峡二号黄河大桥的温度荷载提供参数依据，也为青藏高原类似桥梁的设计与施工建造提供了重要的参考。关键词：连续刚构；温度场；数值模拟；太阳辐射；边界条件中图分类号：U448.23文献标识码：AInvestigationofParametersofTemperatureFieldsofBox-girderBridgeinTypicalWinterWeatherofQinghai-TibetPlateauXIANGXueJian1,DONGJun2，LIUHaosu2,ZHANGJinquan1，LIWanheng1(1.ResearchInstituteofHighway,MinistryofCommunication,Beijing100088;2.BeijingUniversityofCivilEngineeringandArchitecture,Beijing100088)Abstract：WiththeJishixiaYellowRiverbridgelocatedinXunhuacountyoftheHaidongdistrictofQinghaiprovincebeingtheengineeringbackground,focusondiscussingsomerelatedparameterswhichaffectthewintertimetemperaturefieldoftheJishixiaNo.1YellowRiverbox-girder,andcarryonanin-depthstudyondeterminingtheboundaryconditionofthebox-girder’stemperaturefieldunderwinterenvironmentintheplateauarea.TheJishixiaYellowRiverBridgeNo.1istakenasatestingexampletodiscusstheinflictionofinitialconditionslikethesolarradiation,theconvectiontemperature,etc.Therelatedparametersaredeterminedbyplentyofmeasureddataandbyreferencingthelocalmeteorologicaldata,andcomparednumericaltestingresultswiththemeasuredonestodeterminethemeventually.FinallyusetheseparametersselectedtocarryonanexampletestingupontheYellowRiverBridge.Thenumericalsimulationresultagreeswiththefieldmeasuredone,whichdemonstratesthattheparametersareaccurateandreliable.Therelevantresearchresultsnotonlyprovideparametersbasisforthefollow-uptemperatureloadresearchoftheJishixiaYellowRiverBridgeNo.2,butalsoprovidesignificantreferenceforthedesignandconstructionofsimilarbridgesintheQinghai-TibetPlateau.Keywords：continuousrigidframe,temperaturefields,numericalsimulation,solarradiation,boundaryconditions收稿日期：2011-9-20基金项目：西部交通科技项目(2009318000002),国家自然基金项目(51178042),工程结构与新材料北京市高等学校工程研究中心开放基金项目.作者简介：向学建（1970－），男，湖南汉寿人，高级工程师，研究方向为桥梁工程，xj.xiang@163.com.1引言温度荷载对桥梁结构的影响不容忽视已成为共识，由温度产生的混凝土箱梁的应力和变形直接影响到混凝土结构的安全性、耐久性和适用性。对温度荷载的研究关键不在系统中如何计算，而是温度场的模式如何确定。虽然国内外学者已对箱梁温度场和温度应力作了很多的研究，也取得了不少的成果，完善了温度场的计算理论。但是在桥梁界，对箱梁的温度模式的取值方面还没有取得共识，各国桥梁设计标准规定的温度场的分布规律各不相同，就连我国的铁路桥规与公路桥规的条文也相距甚远。为了保证桥梁施工的顺利进行，就必须要建立适合当地实际情况的温度梯度模式。特别是对于位于西北高原上的桥梁，目前相关研究较少。西北高原的气温特点是海拔高、空气稀薄、大气尘埃少。水蒸气和二氧化碳等气体含量很低，大气透明度高，对日光的漫射、散射均较小，日照强烈、昼夜温差大，如果箱梁按现行规范取温度梯度模式和参数，与实际情况出入较大，因此，应通过实桥实测数值对温度场相关参数进行修正。2数值仿真参数确定2.1工程概况积石峡黄河大桥是位于循化县清水乡和孟达乡境内年在建的一座预应力混凝土连续刚构桥，如图1所示。大桥跨径为65+105+60(m)。主桥上部为箱梁采用单箱单室，纵、竖向预应力体系。桥宽8.5m，箱梁根部梁高5.8m，，跨中梁高2.3m，箱梁顶板宽8.5m，底板宽5.5m，翼缘板悬臂长为1.5m。箱梁高度从距墩中心3.5m处到跨中合拢段处按1.8次抛物线变化，除墩顶0号块设二个厚150cm的横隔板及边跨端部设厚120cm的横隔板外，其余部位均不设横隔板。本文模拟温度场选取箱梁中跨12号块某一平面，长度为4m，顶板厚度为0.28m，腹板厚度为0.4m，底板厚度0.30m。此平面翼缘长度为1.5m，梁高2.4m，腹板高度为1.6m。全桥采用C50混凝土，悬臂浇筑。结构形式如图2所示，材料属性相关参数列于表1。图1积石峡黄河大桥一号桥Fig1.JishixiaYellowRiverBridgeNo.1图212#块箱梁示意图Fig2.Theschematicdiagramofbox-girderNo.12ofthebridge表1混凝土材料属性参数Table1Somephysicalpropertyparametersofconcretematerial材料密度(DENS)热传导系数(KXX)比热(C)C50混凝土2600Kg/m33.000.96KJ/℃2.2太阳辐射参数确定[5~10]2.2.1太阳直接辐射强度Im太阳每天的直接辐射强度都不尽相同，其强度值符合正弦变化规律，引入太阳常数Io，其意义为日地距离为平均日地距离时(约在春、秋分前后)，在大气层上界垂直于太阳辐射表面上的太阳辐射强度，Io=1353W/㎡。一年中的其他日期的Io值可按下式计算：20/365)89(360sin441353mWDI(1)本文提及的实验安排在2010年12月18日，经上式计算，最终确定当天，太阳常数I0为1396.5W/㎡。太阳直接辐射强度Im与太阳高度角h、当地的地理纬度、太阳赤纬角、太阳时角、地方太阳时及当地的地理纬度有关，现将计算过程列述于表2、3。表2太阳直接辐射强度参数Table2Someparametersofdirectlysolarradiationintensity地理纬度Φ太阳赤纬角δ大气透明度系数P135.84°-20.11°0.8注：由于冬季太阳直射南半球，故太阳赤纬角为负值；青海循化县海拔2300m，属于青藏高原，介于其空气常年较为稀薄，故选取大气透明度系数为0.8。表3太阳直接辐射强度计算Table3Thecalculationofdirectlysolarradiationintensity北京时间当地视太阳时Sd太阳时角ω太阳高度角Sinh太阳直接辐射强度Im(w/㎡)64.83-107.5475.83-92.5486.83-77.54-0.0497.83-62.540.15523.51108.83-47.540.31776.09119.83-32.540.44890.911210.83-17.540.52945.791311.83-2.540.56965.081412.8312.460.54955.731513.8327.460.47914.461614.8342.460.36824.561715.8357.460.21634.771816.8372.460.03142.211917.8387.46-0.172018.83102.462119.83117.462220.83132.46注：当地经度为102.46°；6、7、20、21、22由于太阳时角绝对值大于90°，故略去此处辐射值；8时太阳高度角接近临界位置，故此时近似按无辐射进行计算，辐射时长为9~18时。2.2.2斜面上的太阳直接辐射强度Ia积石峡黄河大桥一号桥为西南-东北走向，与南北经线的夹角为52°，应考虑斜面太阳直射问题。本桥位T型箱梁结构，翼缘在太阳光照射下回产生阴影，阴影主要集中在腹板处。图3桥位图Fig3.Thepositiondiagramofthebridgesite分析全桥的太阳辐射情况，分为以下几项：1.顶板，顶板在太阳辐射作用下无阴影面积，故主要受太阳直接辐射作用(因反射、散射较直接辐射较小，故略去此部分)。2.腹板，由于本桥为斜向桥，故桥梁东南腹板处受到的阳光直射时间较西北侧腹板长，在某一时刻进行转换，当阳光直射腹板时，直射面主要受到太阳辐射作用，阴影处受反射和散射作用。3.底板，底板几乎不接受阳光直射，主要以散射为主。具体位置布置参见图3。斜面上的太阳直接辐射Iβ与斜面与水平面的夹角β、斜面外法线的方位角φn、太阳方位角φs。其中，顶板和底板与水平面的夹角近似为0°，腹板与水平面夹角为90°。天文学规定：方位角从南方出发向西为正号，向东为负号，所以东南腹板的方位角为142°，西北腹板的方位角为-38°。斜面上的太阳直接辐射强度Ia的计算过程列述于表4。表4各部分太阳直接辐射强度Table4Thecalculationofdirectlysolarradiationintensityfordifferentlocations北京时间太阳方位角SinφsCosθ顶板Cosθ腹板ImIβ顶板Iβ东南腹板Iβ西北腹板9-0.840.93-0.93523.5178.48488.12-488.1210-0.730.94-0.94776.09242.71728.42-728.4211-0.560.90-0.90890.91392.48798.08-798.0812-0.330.81-0.81945.79496.18763.20-763.2013-0.050.68-0.68965.08539.73654.38-654.38140.240.52-0.52955.73518.08494.99-494.99150.490.34-0.