考虑日照阴影的多主梁组合梁桥温度梯度模式建立方法

技术领域

本发明涉及多主梁组合梁桥设计领域，具体为一种考虑日照阴影的多主梁组合梁桥温度梯度模式建立方法。

背景技术

受环境中气温变化和太阳辐射等周期性气象因素影响，组合梁桥温度在时程上同样呈现出明显的年与日周期性规律。由于构件尺寸和材料的导热滞后性，组合梁桥温度在空间上呈现出不均匀分布规律。这种不均匀温度场随时间实时变化，在桥梁结构上产生温度内力和变形。由于温度在空间和时间上连续，采用实际的温度场进行设计计算十分不便，难以直接用于杆系模型进行桥梁温度效应的简化计算，因此，现行规范往往定义简化的温度作用模式，保留桥梁温度场的主要特点，以此方便桥梁温度效应的计算。

目前，在现行的国内外规范体系中，简单梁式桥温度作用的规定大多根据环境影响因素分类，其中，日照温度作用对应于竖向正温度梯度，骤然降温作用对应于竖向负温度梯度，而年温变化则一般对应于桥梁的均匀温度作用。这种分类方式便于理解温度作用形成的过程，但不利于从机理上去认识温度作用下桥梁结构的响应。年温变化引起的均匀温度作用会在静定结构中引起桥梁轴向胀缩变形，在超静定结构中还会进一步引起轴向次应力。对于日照或降温引起的竖向温度梯度作用，其在静定结构中不仅产生小部分轴向胀缩变形、弯曲变形，还包括自平衡的温度自应力，在超静定结构中则进一步产生轴向次应力和弯曲次应力，亦包括温度自应力。显然，温度梯度模式产生的效应杂合了次生和自生温度效应，同时与均匀温度产生轴向效应会重复计入。且尽管这些温度作用模式可以反映桥梁温度分布的基本特征，但能否包络住桥梁结构长期产生的温度效应，尚未有适用的温度指标去衡量。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种考虑日照阴影的多主梁组合梁桥温度梯度模式建立方法。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种考虑日照阴影的多主梁组合梁桥温度梯度模式建立方法，包括以下步骤：

S1，选取某一多主梁组合梁为标准计算模型，采用桥位实测气象数据或气象站点长期历史数据进行标准计算模型的温度场长期数值模拟，获得多主梁组合梁的温度场；其中，多主梁组合梁分为中梁和边梁，边梁包括东梁、西梁、南梁和北梁；

S2，根据欧洲规范Eurocode-1对边梁、中梁的任意温度场进行温度评价指标的分解，获得长期温度场中各梁的温度评价指标，并明确各梁最不利温度评价指标的出现时间和该时间段内的温度场；

S3，采用塔克斯特拉组合规则，根据最不利温度评价指标中的竖向线性温差最大值和残余插最大值出现时段内的温度场得到最不利的竖向温度分布；

S4，将最不利的竖向温度分布简化拟合为曲线或者折线，得到各主梁的竖向温度梯度作用模式。

在S1中，考虑腹板受到翼缘的遮挡造成阴影区域无法接收太阳直接辐射的情况，进行多主梁钢板组合梁桥的每个主梁的温度场分析时，阴阳区域高度、腹板的倾角、太阳方位之间的关系如下：

式中：L

在S2中，将任意一个温度场分解为四个部分，分别为有效温度T

假定①组合梁沿纵桥向截面相等；②组合梁中存在x和y平面的温度非线性分布T(x，y)，以组合梁组合截面形心为原点建立二维坐标系xOy；③桥面板与钢梁交界面无相对滑移，钢-混凝土组合梁整体变形服从平截面假定；

式中，H和B分别为组合梁的梁高和梁宽，E

优选的，在S2中，最不利的温度分布的获取方法为：将组合梁相同高度的节点温度进行平均，得到各梁不利时间段内的温度分布。

优选的，在S3中，竖向温度分布从竖向线性温差最大或者残余温度最大时所对应的温度场中获取；

当竖向线性温差最大时的竖向温度分布中的温差大于残余温度最大时的竖向温度分布中的温差时，最不利的竖向温度分布从竖向线性温差最大时的温度场获取；

当残余温度最大时的竖向温度分布中的温差大于竖向线性温差最大的竖向温度分布中的温差时，最不利的竖向温度分布从残余温度最大时的温度场获取。

优选的，在S4中，在建立组合梁的竖向温度梯度作用模式时，将白天产生的温度梯度模式称为温度梯度升温模式，将夜晚产生的温度梯度模式称为温度梯度降温模式。

优选的，温度梯度升温模式包括第一升温模式和第二升温模式，其中，第一升温模式的表达式为：

式中，ΔT

第二升温模式的表达式为；

ΔT

优选的，温度梯度降温模式的表达式为：

式中，ΔT

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明一种考虑日照阴影的多主梁组合梁桥温度梯度模式建立方法以温度场产生温度效应的独立性来提出温度作用评价指标。欧洲规范Eurocode-1中指出，具有任意温度变化的部件，截面的温度分布变化可以分解为有效温度Te、竖向等效线性温差Tv、横向等效线性温差Th和残余温度分布Tr(x,y)等4个部分。根据基于效应得到的温度作用评价指标，有效温度变化只产生轴向变形，竖向线性温差和横向线性温差分别引起竖向弯曲变形和横向弯曲变形，当结构受到约束而成为超静定体系时，对于以上三者则分别引起轴力、竖向弯矩和横向弯矩。残余温度分布则只引起截面自相平衡的应力，与结构体系的约束条件和是否静定无关，不产生结构变形和内力。可见，这4部分的温度分布形式相互独立的，更利于从温度效应产生的机理上去理解各温度作用的形式。因此，在建立桥梁结构的温度作用模式时，需要通过以上桥梁温度场评价指标来判断温度作用模式的合理性，当提出的温度作用模式能很好的包络住温度场产生的长期效应时，即可认为提出的温度作用模式合理。

本发明将竖向线性温差和残余温度达到最不利时的温度竖向分布作为温度梯度模式。通过对组合梁桥开展温度场长期数值模拟，根据典型温度评价指标的年分布规律和日分布规律确定最不利的温度分布形式，考虑日照时边梁上翼板(桥面板)对腹板的遮挡阴影，对多主梁组合梁桥边梁与中梁温度分布的差异性进行分析。最大正温差主要由桥面板外侧面受太阳辐射升温引起，但因桥面板侧面朝向不同，冬、西、南、北梁出现时间及温差值不同。

本发明采用塔克斯特拉(Turkstra)规则进行组合，以确定其在设计基准期最大值的统计特性。该规则的基本思路是：作用效应组合最大值一般出现在某一个主导作用出现设计基准期内最大值，其他伴随出现的作用为任意时点值时。竖向温度梯度模式实际上的是竖向线性温差和残余温度分布的组合，因此，最不利的温度梯度模式应在竖向线性温差最大或残余温度最大对应的竖向温度分布形式中获取。根据竖向线性温差最大或残余温度最大的时间，得到竖向温度分布。最后将竖向温度分布简化成曲线或折线形式，从而得到钢板组合梁的温度梯度模式。

与现行桥梁设计规范相比，本方法基于欧洲规范效应分解方法所提出的温度梯度模式更全面，可以更好地包络桥梁在运营期间的长期温度次生效应，对于我国规范组合梁桥温度作用相关条款的补充具有重要意义。

附图说明

图1为本发明一种考虑日照阴影的多主梁组合梁桥温度梯度模式建立方法的流程示意图；

图2是桥梁走向和编号示意图；

图3是组合梁竖向温度分布图；

图4是实施例中中梁5月9日8:00～5月10日8:00的温度评价指标计算结果对比；

图5是实施例中中梁5月10日8:00～11日8:00的温度评价指标计算结果对比；

图6是实施例中南梁12月1日8:00～2日8:00的温度评价指标计算结果对比；

图7是第一升温模式折线图；

图8是第二升温模式折线图；

图9是降温模式折线图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明公开了一种考虑日照阴影的多主梁组合梁桥温度梯度模式建立方法，参照图1，包括以下步骤：

S1，选取某一多主梁组合梁为标准计算模型，采用桥位实测气象数据或气象站点长期历史数据进行标准计算模型的温度场长期数值模拟，获得多主梁组合梁的温度场；其中，参照图2，多主梁组合梁分为中梁和边梁，边梁包括东梁、西梁、南梁和北梁。

考虑腹板受到翼缘的遮挡造成阴影区域无法接收太阳直接辐射的情况，进行多主梁钢板组合梁桥的每个主梁的温度场分析时，阴阳区域高度、腹板的倾角、太阳方位之间的关系如下：

式中：L

S2，根据欧洲规范Eurocode-1对边梁、中梁的任意温度场进行温度评价指标的分解，获得长期温度场中各梁的温度评价指标，并明确各梁最不利温度评价指标的出现时间和该时间段内的温度场；最不利温度评价指标包括竖向线性温差和残余温度。

将任意一个温度场分解为四个部分，分别为有效温度T

假定①组合梁沿纵桥向截面相等；②组合梁中存在x和y平面的温度非线性分布T(x，y)，以组合梁组合截面形心为原点建立二维坐标系xOy；③桥面板与钢梁交界面无相对滑移，钢-混凝土组合梁整体变形服从平截面假定；

式中，H和B分别为组合梁的梁高和梁宽，E

最不利的温度分布的获取方法为：将组合梁相同高度的节点温度进行平均，得到各梁不利时间段内的温度分布。

S3，采用塔克斯特拉组合规则，根据最不利温度评价指标中的竖向线性温差最大值和残余插最大值出现时段内的温度场得到最不利的竖向温度分布。

竖向温度分布从竖向线性温差最大或者残余温度最大时所对应的温度场中获取；

当竖向线性温差最大时的竖向温度分布中的温差大于残余温度最大时的竖向温度分布中的温差时，最不利的竖向温度分布从竖向线性温差最大时的温度场获取；

当残余温度最大时的竖向温度分布中的温差大于竖向线性温差最大的竖向温度分布中的温差时，最不利的竖向温度分布从残余温度最大时的温度场获取。

S4，将最不利的竖向温度分布简化拟合为曲线或者折线，得到各主梁的竖向温度梯度作用模式。

竖向温度梯度作用模式为竖向线性温差最大或者残余温度最大时所对应的竖向温度分布中获取，当最大竖向线性温差大于最大残余温度时，竖向温度梯度作用模式从最大竖向线性温差所对应的竖向温度分布中获取；当最大残余温度大于最大竖向线性温差时，竖向温度梯度作用模式从最大残余温度所对应的竖向温度分布中获取。

在建立组合梁的竖向温度梯度作用模式时，将白天产生的温度梯度模式称为温度梯度升温模式，将夜晚产生的温度梯度模式称为温度梯度降温模式。

温度梯度升温模式包括第一升温模式和第二升温模式，其中，第一升温模式的表达式为：

式中，ΔT

第二升温模式的表达式为：

ΔT

温度梯度降温模式的表达式为：

式中，ΔT

实施例1

S1、以某地为例，采用在“国家气象科学数据中心”(http://data.cma.cn/)搜集到的某射气象站(经度、纬度和海拔分别为108.58°E、34.26°N和410m)2015年全年的历史气象数据，分别对东西走向和南北走向(如图1所示)组合梁模型的长期温度场进行二维有限元数值模拟。多主梁组合梁桥每个主梁均采用梁单元来模拟，主梁分为1个中梁和4个边梁，即中梁、东梁、西梁、南梁、北梁。选取一个3主梁钢-混凝土组合梁为标准计算模型进行温度作用规律分析，模型尺寸参数见表1。

S2、根据欧洲规范Eurocode-1中任意温度变化的部件截面的温度分布变化可以分解为有效温度T

计算假定为：①组合梁沿纵桥向截面相等；②组合梁中存在x和y平面的温度非线性分布T

温度分解各部分的具体计算方法为：

式中，H和B分别为组合梁的梁高和梁宽，E

根据温度场分解方法，得到组合梁长期数值模拟结果中各片主梁温度评价指标，并明确各梁最不利温度评价指标出现时间。桥面板外侧温度高于内侧为正温差，反之为负温差。中梁无侧面，不受太阳辐射影响，横向线性温差为0，其他各边梁的横向线性正温差明显大于负温差。最大正温差主要由桥面板外侧面受太阳辐射升温引起，但因桥面板侧面朝向不同，冬、西、南、北梁出现时间及温差值不同。

中、东、西、南、北各梁的有效温度基本相等，同时刻相差均不超过1℃。最高有效温度均出现在7月30日下午17:00，最高值为42.75℃，最低有效温度均出现在1月1日早晨7:00，最低值为-4.69℃。最大竖向线性正温差均发生在5月10日凌晨2:00，达到8.97℃。

对于最大线性负温差，东、西、南梁出现的原因基本一致，均因为钢梁中下部受到太阳直接辐射快速升温，远高于桥面板，因此形成了明显的负温度梯度。由于三者腹板的朝向不同，最大负温差出现的时间并不一致，分别于12月1日13:00、12月1日16:00和12月1日14:00，最大负温差分别为-6.07℃、-5.76℃和-10.48℃。中梁和北梁出现最大负温差的时间和情形基本一致，均发生在5月10日下午14:00，当日天气为多云，气温高但太阳辐射很弱，桥面板在无太阳辐射的情况下升温速率远低于钢梁，从而产生了钢梁温度高于桥面板的分布形式，产生竖向线性负温差。中梁和北梁的最大线性负温差分别为-4.32℃和-5.19℃，明显小于受日照引起的边梁的线性负温差。

横向最大正温差主要由桥面板外侧面受太阳辐射升温引起，但因桥面板侧面朝向不同，冬、西、南、北梁分别在7月1日12:00、5月12日18:00、12月29日15:00和12月1日15:00达到最大，分别为1.75℃、1.63℃、1.78℃和-0.71℃。最大和最小残余温度分别在5月12日14:00和5月10日1:00发生，大小分别为9.38℃和-3.08℃。

将组合梁相同高度的节点温度进行平均，得到各梁不利时间段内的竖向温度分布，参见图4、5、6。

S3、多个同时出现的可变作用效应采用塔克斯特拉(Turkstra)规则进行组合，以确定其在设计基准期最大值的统计特性。该规则的基本思路是：作用效应组合最大值一般出现在某一个主导作用出现设计基准期内最大值，其他伴随出现的作用为任意时点值时。竖向温度梯度模式实际上的是竖向线性温差和残余温度分布的组合，因此，最不利的温度梯度模式应在竖向线性温差最大或残余温度最大对应的竖向温度分布形式中获取。参见图3，竖向线性温差和残余温度分布最不利时组合梁的竖向温度分布，可以总结为4中基本形式，这些基本分布形式的适用主梁、出现天气、出现时间、产生原因、对应温度平均指标、产生的次效应和自效应如表2所示。

S4、将温度梯度曲线简化成曲线或折线，得到温度梯度模式。建立组合梁的温度梯度模式时，将白天产生的温度梯度模式称为温度梯度升温模式(简称升温模式)，将夜晚产生的温度梯度模式称为温度梯度降温模式(简称降温模式)。

表1计算断面尺寸参数

表2中类型2(如图3(b)所示)适用于钢梁无日照影响的中梁和北梁，钢梁中下部升温由气温升高引起，表2中类型3(如图3(c)所示)适用于可受太阳直接照射的边梁，钢梁中下部升温由日照辐射引起，两者温度分布形式相近，可将其总结为一类。因此，提出了适用于组合梁桥的3种温度梯度模式，其中，第一升温模式对应于温度分布类型1(参见图7、图3(a))，第二升温模式对应于类型2和3(参见图8)，降温模式则对应于类型4(参见图9、图3(b))。

表2组合梁桥的典型竖向温度分布

第一升温模式表达式为：

式中，ΔT

第二升温模式表达式为：

式中，ΔT

降温模式表达式为：

式中，ΔT

以上所述的仅仅是本发明的较佳实施例，并不用以对本发明的技术方案进行任何限制，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均属于权利要求书所涵盖的保护范围之内。