Please wait a minute...
浙江大学学报(工学版)
浙江大学学报(工学版)  2022, Vol. 56 Issue (5): 909-919    DOI: 10.3785/j.issn.1008-973X.2022.05.008
土木工程     
钢-混组合梁桥有效温度取值的地域差异性
马志元1(),刘江1,2,刘永健1,2,*(),吕毅1,张国靖1
1. 长安大学 公路学院，陕西 西安 710064
2. 公路大型结构安全教育部工程研究中心，陕西 西安 710064
Regional difference of value taking of effective temperature for steel-concrete composite girder bridges
Zhi-yuan MA1(),Jiang LIU1,2,Yong-jian LIU1,2,*(),Yi LYU1,Guo-jing ZHANG1
1. School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710064, China
2. Research Center of Highway Large Structure Engineering on Safety of Ministry of Education, Xi’an 710064, China
 全文: PDF(2940 KB)   HTML
摘要：

为了研究不同地区组合梁桥有效温度的精确取值，对钢箱混凝土组合梁节段模型开展长期温度测试，基于实测数据验证数值模拟温度场的准确性. 采用有限元和气象相关性公式2种方法得到有效温度样本数据，基于广义帕累托（GP）分布模型计算有效温度代表值并进行对比. 调研中国839个基准气象站数据,对其中91个具有太阳辐射数据的站点进行23 a长期数值模拟，并逐个站点建立有效温度与气温和太阳辐射2个气象参数之间的相关性公式. 采用空间插值方法得到有效温度全国等值线地图. 结果表明：全国范围内组合梁桥最高有效温度为20.56~51.99 ℃，最低有效温度为?42.94~15.81 ℃，有效温度变化为26.16~87.57 ℃，在等值线地图中，约占全国面积的1/7的区域的有效温度变化超过规范中最大值71 ℃，给桥梁的安全运营带来较大风险.
关键词： 桥梁工程;  有效温度;  气象相关性;  钢-混凝土组合梁;  地域差异性;  等温图    
Abstract:

A long-term field test was carried out on a segmental model of steel box concrete composite girder, and the accuracy of numerical simulation of temperature field was verified based on the measured data, in order to study the accurate value of effective temperature of composite girder bridges in different areas. The effective temperature samples were obtained by finite element method and meteorological correlation formula, and the representative values of effective temperature were calculated and compared based on generalized Pareto (GP) distribution model. 839 reference weather stations in China were investigated, and 91 stations with solar radiation data were simulated for 23 years. Furthermore, the correlation formula between effective temperature, air temperature and solar radiation was established. The contour map of effective temperatures was drawn by spatial interpolation method. Results show that the highest effective temperature ranges from 20.56 ℃ to 51.99 ℃, the lowest effective temperature ranges from ?42.94 ℃ to 15.81 ℃, and the effective temperature range ranges from 26.16 ℃ to 87.57 ℃. In the contour map, the effective temperature range in about 1/7 of the national area exceeds the maximum value of 71 ℃ specified by the current codes, which brings great risks to the safe operation of bridges.
Key words: bridge engineering    effective temperature    meteorological correlation    steel-concrete composite girder    regional difference    contour map
收稿日期: 2021-12-02 出版日期: 2022-05-31
CLC:  U 448  
基金资助: 国家自然科学基金资助项目(52108111)；中国博士后科学基金资助项目(2021M692747)；青海省重点研发与转化计划(2021-SF-166)；长安大学中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（300102212102）
通讯作者: 刘永健     E-mail: 542787523@qq.com;liuyongjian@chd.edu.cn
作者简介: 马志元（1996—），男，博士生，从事桥梁结构温度作用与效应计算理论研究. orcid.org/0000-0002-9889-2371. E-mail: 542787523@qq.com
服务　　
把本文推荐给朋友
加入引用管理器
E-mail Alert
作者相关文章　　
马志元
刘江
刘永健
吕毅
张国靖

引用本文:

马志元,刘江,刘永健,吕毅,张国靖. 钢-混组合梁桥有效温度取值的地域差异性[J]. 浙江大学学报(工学版), 2022, 56(5): 909-919.

Zhi-yuan MA,Jiang LIU,Yong-jian LIU,Yi LYU,Guo-jing ZHANG. Regional difference of value taking of effective temperature for steel-concrete composite girder bridges. Journal of ZheJiang University (Engineering Science), 2022, 56(5): 909-919.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/eng/CN/10.3785/j.issn.1008-973X.2022.05.008    或    https://www.zjujournals.com/eng/CN/Y2022/V56/I5/909

图 1  钢箱组合梁节段模型
图 2  组合梁测点布置
图 3  钢箱组合梁节段有限元模型
材料 ρ/(kg?m?3) c/(J?kg?1?K?1) λ/(W?m?1?K?1) α ε
钢 7850 460 55.000 0.50 0.80
混凝土 2300 900 3.000 0.40 0.85
空气 1.293 1000 0.027 ? ?
表 1  组合梁材料热工参数
图 4  组合梁有效温度时程测试值与有限元计算值对比
区域 省级行政区 基准气象站 常规气象站 辐射气象站 区域 省级行政区 基准气象站 常规气象站 辐射气象站
华北 北京 3 2 1 华中 河南 20 17 3
天津 3 2 1 湖北 32 30 2
山西 28 25 3 湖南 36 33 3
河北 21 20 1 华南 广东 37 35 2
内蒙古 48 46 2 广西 26 23 3
东北 辽宁 33 30 3 海南 8 5 3
吉林 29 27 2 香港 0 0 0
黑龙江 37 32 5 澳门 0 0 0
华东 上海 1 0 1 西南 重庆 12 11 1
江苏 24 21 3 四川 42 35 7
浙江 23 21 2 贵州 34 33 1
安徽 24 22 2 云南 34 29 5
福建 28 26 2 西藏 29 26 3
江西 26 24 2 西北 陕西 36 33 3
山东 23 20 3 甘肃 29 25 4
台湾 0 0 0 青海 35 30 5
? ? ? ? 宁夏 12 10 2
? ? ? ? 新疆 66 55 11
表 2  中国基准气象站分布
图 5  西宁站点日辐射总量实测值与Bahel模型预测值对比
类别 ns Ps
R2区间 [0.75, 0.80) 5 5.49
[0.80, 0.90) 41 45.05
[0.90, 1.00] 45 49.46
RMSE区间
(MJ·m?2) 		[3.0, 4.7) 9 9.89
[2.0, 3.0) 62 68.13
[0, 2.0] 20 21.98
表 3  中国91个辐射气象站Bahel模型适用性评价
图 6  西宁站点23 a历史气象数据
图 7  组合梁有效温度23 a数值模拟结果
图 8  组合梁有效温度23 a气象相关性公式计算结果
图 9  有效温度有限元计算值与气象相关性公式计算值对比
数据来源 θe,max θe,min
23 a数值模
拟数据 		23 a气象相
关数据 		23 a数值模
拟数据 		23 a气象相
关数据
20 a重现期 41.91 41.43 ?21.59 ?21.72
50 a重现期 42.54 42.31 ?22.33 ?22.27
原始数据极值 42.04 41.62 ?21.28 ?21.63
表 4  不同数据来源计算得到的有效温度代表值
影响因素 F值
θe,max θe,min
hp 51.73 55.22
Bc 1.64 2.83
hc 43.91 66.85
hs 3.60 2.90
α 1.39 1.06
表 5  有效温度影响因素的方差分析结果
图 10  桥面板及铺装厚度对有效温度的影响
图 11  辐射气象站点有效温度箱型图
图 12  辐射气象站点有效温度地域差异性对比
图 13  有效温度有限元代表值与气象相关性公式代表值对比
θe,max/℃ 分布地区 θe,min/℃ 分布地区
48~52 新疆中部及北部 ?43~?35 黑龙江、内蒙古、西藏西部、青海南部
44~48 北京天津周边、重庆、湖北北部、浙江、江西北部、陕西湖北交界处 ?35~?28 吉林、辽宁北部、新疆北部
40~44 黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古、山西、山东、河南、安徽、湖南、福建、广东、广西、福建、四川东部、新疆南部及东部 ?28~?20 新疆南部、青海北部、西藏东部、甘肃、陕西北部、山西北部、四川北部
36~40 青海北部、甘肃北部、贵州、云南南部、江苏 ?20~?12 河北、山东、山西、陕西中部、宁夏
32~36 西藏西部、云南北部 ?12~?5 江苏、安徽、河南、陕西南部、四川南部、湖北
28~32 西藏中部及东部、四川西部 ?5~3 湖南、江西、浙江、福建、贵州、云南北部
24~28 西藏南部、四川北部 3~11 广东北部、广西、云南南部
20~24 西藏北部、青海南部 11~16 广东南部、海南、台湾
表 6  有效温度取值范围及分布地区
地区 θe,max/ ℃ θe,min/ ℃ θe,range/ ℃
严寒地区 39 ?32 71
寒冷地区 39 ?15 54
温热地区 39 ?6 (?1) 45 (40)
表 7  现行公路桥涵规范[6]中组合梁桥有效温度取值
1 ROEDER C W. Thermal movement design procedure for steel bridges [R]. Washington, D. C.: American Iron and Steel Institute, 1998.
2 ROEDER C W. Thermal movement design procedure for concrete bridges [R]. Washington, D. C.: National Research Council, 2002.
3 刘永健, 刘江, 张宁, 等 钢-混凝土组合梁温度效应的解析解[J]. 交通运输工程学报, 2017, 17 (4): 9- 19
LIU Yong-jian, LIU Jiang, ZHANG Ning, et al Analytical solution of temperature effects of steel-concrete composite girder[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2017, 17 (4): 9- 19
doi: 10.3969/j.issn.1671-1637.2017.04.002
4 刘永健, 刘江, 张宁 桥梁结构日照温度作用研究综述[J]. 土木工程学报, 2019, 52 (5): 59- 78
LIU Yong-jian, LIU Jiang, ZHANG Ning Review on solar thermal actions of bridge structures[J]. China Civil Engineering Journal, 2019, 52 (5): 59- 78
5 刘江, 刘永健, 白永新, 等 混凝土箱梁温度梯度模式的地域差异性及分区研究[J]. 中国公路学报, 2020, 33 (3): 73- 84
LIU Jiang, LIU Yong-jian, BAI Yong-xin, et al Study on regional difference and zoning of the temperature gradient pattern of concrete box girder[J]. China Journal of Highway and Transport, 2020, 33 (3): 73- 84
doi: 10.3969/j.issn.1001-7372.2020.03.007
6 中华人民共和国交通运输部. 公路桥涵设计通用规范: JTG D60—2015 [S]. 北京: 人民交通出版社, 2015.
7 British Standards Institution. Steel, concrete and composite bridges part2. specification for loads: BS5400 [S]. London: British Standards Institution, 1978.
8 European Committee for Standardization. Actions on structures, part1-5: general actions-thermal actions: Eurocode 1 [S]. Brussels: European Committee for Standardization, 1991.
9 American Association of State Highway and Transportation Officials. AASHTO LRFD Bridge Design Specification [S]. Washington, D. C.: American Association of State Highway and Transportation Officials, 2012.
10 戴公连, 唐宇, 梁金宝 基于广义帕累托分布的桥墩温度荷载极值研究[J]. 桥梁建设, 2017, 47 (6): 48- 53
DAI Gong-lian, TANG Yu, LIANG Jin-bao Study of temperature load extreme value of a bridge pier based on generalized pareto distribution[J]. Bridge Construction, 2017, 47 (6): 48- 53
doi: 10.3969/j.issn.1003-4722.2017.06.009
11 张欢, 吴二军 考虑参数更新的大跨桥梁温差极值分布估计方法研究[J]. 工程力学, 2017, 34 (3): 124- 130
ZHANG Huan, WU Er-jun Statistical model estimation of extreme temperature gradient of long-span bridges combined parameter updating[J]. Engineering Mechanics, 2017, 34 (3): 124- 130
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.08.0717
12 史道济. 实用极值统计方法[M]. 天津: 天津科学技术出版社, 2006.
13 CHEN Q. Effects of thermal loads on Texas steel bridges [D]. Austin: University of Texas at Austin, 2008.
14 LIU J, LIU Y J, ZHANG G J, et al Predicted formula for temperature gradient of concrete-filled steel tubular member with an arbitrary inclination[J]. Journal of Bridge Engineering, 2020, 25 (10): 04020076
doi: 10.1061/(ASCE)BE.1943-5592.0001599
15 刘江, 刘永健, 马志元, 等. 钢-混凝土组合梁桥的温度梯度作用(Ⅰ): 作用模式与极值分析[EB/OL]. [2021-11-15]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1313.U.20211015.1130.002.html.
LIU Jiang, LIU Yong-jian, MA Zhi-yuan, et al. Temperature gradient action of steel-concrete composite girder bridge (I): action pattern and extreme value analysis[EB/OL]. [2021-11-15]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1313.U.20211015.1130.002.html.
16 刘江, 刘永健, 房建宏, 等 高原高寒地区“上”形钢-混凝土组合梁的竖向温度梯度模式[J]. 交通运输工程学报, 2017, 17 (4): 32- 44
LIU Jiang, LIU Yong-jian, FANG Jian-hong, et al Vertical temperature gradient patterns of 上-shaped steel-concrete composite girder in arctic-alpine plateau region[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2017, 17 (4): 32- 44
17 AU F T K, THAM L G, TONG M Design thermal loading for steel bridges in Hong Kong[J]. Transactions Hong Kong Institution of Engineers, 2001, 2 (2): 1- 9
18 HOTTEL H C A simple model for estimating the transmittance of direct solar radiation through clear atmospheres[J]. Solar Energy, 1976, 18 (2): 129- 134
19 LIU B Y H, JORDAN R C The interrelationship and characteristic distribution of direct, diffuse and total solar radiation[J]. Solar Energy, 1960, 4 (3): 1- 19
doi: 10.1016/0038-092X(60)90062-1
20 高宇. 港珠澳大桥青州航道桥扁平钢箱梁温度场分析[D]. 西安: 长安大学, 2015.
GAO Yu. Qingzhou channel bridge of the Hong Kong, Zhuhai and Macao bridge flat steel box girder temperature field analysis[D]. Xi’an: Chang’an University, 2015.
21 国家气象科学数据中心[EB/OL]. [2019-11-18]. http://data.cma.cn/, 1993-01-01/2015-01-01.
22 张青雯, 崔宁博, 冯禹, 等 基于气象资料的日辐射模型在中国西北地区适用性评价[J]. 农业工程学报, 2018, 34 (2): 189- 196
ZHANG Qing-wen, CUI Ning-bo, FENG Yu, et al Evaluation on applicability of daily solar radiation model in Northwest China based on meteorological data[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2018, 34 (2): 189- 196
doi: 10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.026
[1] 向胜涛,王达. 基于改进量子遗传算法的模型交互修正方法[J]. 浙江大学学报(工学版), 2022, 56(1): 100-110.
[2] 冀伟,邵天彦. 多跨连续梁桥顶推施工双导梁的优化分析[J]. 浙江大学学报(工学版), 2021, 55(7): 1289-1298.
[3] 王立国,邵旭东,曹君辉,陈玉宝,何广,王洋. 基于超短栓钉的钢-超薄UHPC组合桥面性能[J]. 浙江大学学报(工学版), 2020, 54(10): 2027-2037.
[4] 戴显荣,王路,王昌将,王晓阳,沈锐利. 多塔悬索桥全竖向摩擦板式抗滑方案[J]. 浙江大学学报(工学版), 2019, 53(9): 1697-1703.
[5] 李明, 刘扬, 杨兴胜. 考虑轴重相关的随机车流荷载效应[J]. 浙江大学学报(工学版), 2019, 53(1): 78-88.
[6] 赵人达, 贾毅, 占玉林, 王永宝, 廖平, 李福海, 庞立果. 强震区多跨长联连续梁桥减隔震设计[J]. 浙江大学学报(工学版), 2018, 52(5): 886-895.
[7] 蒋翔, 童根树, 张磊. 耐火钢-混凝土组合梁耐火极限和承载力[J]. 浙江大学学报(工学版), 2017, 51(8): 1482-1493.
[8] 王玉强,张宽地,陈晓东. 胶黏钢-混凝土组合梁的界面行为数值分析[J]. J4, 2013, 47(9): 1593-1598.
[9] 项贻强,刘成熹,唐国斌,陈雪奖,吴天真,罗晓峰. 计算独柱墩帽梁承载力的改进撑杆-系杆模型[J]. J4, 2012, 46(7): 1248-1254.
[10] 叶雨清 陈勇 孙炳楠 楼文娟 俞菊虎. 钱江四桥健康监测特征指标趋势分析[J]. J4, 2009, 43(2): 394-400.