国内外规范关于竖向温度梯度的规定研究

李葳

（中国铁道科学研究院科学技术信息研究所，北京100081）

国内外规范关于竖向温度梯度的规定研究

李葳

（中国铁道科学研究院科学技术信息研究所，北京100081）

竖向温度梯度对箱梁的整体、局部受力及变形具有一定影响，但目前大量采用的预应力混凝土箱梁在截面构造、结构刚度等方面均有较大变动，既有针对无砟无枕小型箱梁的温度场研究成果已不能完全适用。因此，有必要针对国内外规范关于竖向温度梯度的规定进行研究。通过对比英国BS5400、美国AASHTO、德国DIN 101、新西兰桥梁设计规范和我国公路、铁路桥梁设计规范关于混凝土梁体竖向温度梯度的规定，以3m高度的箱梁为例，在不考虑梁体铺装层厚度的情况下，对其竖向正、负温度梯度分布进行对比。研究得出：为掌握铁路预应力混凝土箱梁竖向温度梯度对结构受力和变形的影响，应准确模拟桥上有砟/无砟轨道结构对箱梁温度分布的影响，以及根据不同的阶段选取合适的温度梯度。

桥梁；温度梯度；设计规范；截面温差

截至2016年底，我国时速200km及以上铁路桥梁12158座，全长约为11596.618km，其中预应力混凝土简支梁、连续箱梁约占桥梁总延长的95%以上。环境温度将引起桥梁结构胀缩产生变形，当变形受到约束时产生约束应力。20世纪70年代末，我国铁路对九江长江大桥引桥40m无砟无枕小型箱梁温度场及其影响开展了系列研究[1]，但由于高速铁路建设中大量采用的预应力混凝土箱梁在截面构造、尺寸、桥面轨道布置等方面均有较大变动，既有研究成果已不能完全适用。因此，有必要针对高速铁路箱梁特征，对其竖向梯度及效应开展进一步研究。

国外研究人员针对不同结构（钢结构、钢混组合结构和混凝土结构）、梁型，对桥梁所处环境温度场及梁体内部温度分布开展了大量研究，部分国家对于梁体表面覆盖物厚度对温差的影响也进行了研究，并在规范中进行了详细规定。

1 国外

1.1 英国BS5400规范

对于铺设在混凝土梁上的混凝土板或混凝土铺装层，英国BS5400规范规定竖向温度梯度按折线变化，并考虑升降温变化规律的不同（见图1）。BS5400规范制定时，考虑了桥面铺装厚度的变化对截面温差值的影响[2]。图1中的竖向温度梯度分布是根据100mm铺装层厚度制定的，对于不同铺装层厚度（梁高≥1.5m），截面各部位温差取值见表1。

图1 BS5400规定的混凝土结构温度梯度分布图

表1 不同厚度的铺装层情况下截面温差取值[2] ℃

1.2 美国AASHTO规范

美国AASHTO规范规定的竖向温度梯度按折线变化（见图2），正、负温度梯度采用相同的变化规律，仅在温差取值上有所区别[3]。规范根据不同区域确定最大温差（整体将美国分为4个区域），梁体截面最大正温差为30℃（1区）；负温差值按正温差的一半考虑。

AASHTO规范考虑了混凝土表面沥青层的隔热作用对截面温差的影响（见表2），但同时指出考虑隔热作用时，必须考虑桥梁上部结构施工完成后至沥青铺装前，沥青铺装层状态可能发生的变化影响。

图2 ASSHTO规定的混凝土结构正、负温度梯度分布图

表2 不同厚度的沥青层截面温差取值[3] ℃

1.3 德国DIN101规范

德国工业标准DIN101专业报告《桥梁的荷载》规定，结构构件中的温度场可分解为4个部分（见图3），分别为温度常量部位（a）、横向线性温差（b）、竖向线性温差（c）和非线性温度分布（d）[4]。规范指出，计算桥梁结构温度效应时，不考虑非线性温差分布。针对不同结构类型竖向线性温差取值见表3。

图3 DIN101规定的结构温度曲线

表3 不同结构类型竖向线性温差[4] ℃

表3中温差数值为带有50mm厚覆盖层的公路桥和铁路桥测出的，对于其他厚度需乘以相应修正系数（见表4）。

表4 不同厚度的铺装层截面温差修正系数[4]

1.4 新西兰桥梁设计规范

新西兰桥梁设计规范规定，梁体顶缘1.2m范围内温度梯度按5次抛物线变化，底缘0.2m范围按线形变化[5]（见图4），梁体顶、底缘与内部最大正温差分别为32.0℃和1.5℃，并考虑桥面沥青铺装层的影响。

图4 新西兰桥梁设计规范规定的温度梯度分布图

2 中国

2.1 公路桥梁设计规范

我国公路85桥规规定，混凝土连续梁由于日照引起桥面与其他部分的温度差而产生内力，在缺乏实测资料时，可假定温度差+5℃（桥面板升温5℃），并在桥面板内均匀分布（见图5（a））[6]。

我国公路2004桥规修订时，曾分别按照英国BS5400规范、美国AASHTO规范、新西兰桥梁设计规范、国内铁路规范和公路85规范的竖向温度梯度进行了多座桥梁的应力计算比较，结果表明按新西兰和我国铁路规范温度梯度计算的温度效应最大，公路85规范最小[7]，英国BS5400和美国AASHTO规范居中。考虑到美国AASHTO规范的温度梯度分布相对简单，对于混凝土结构采用美国AASHTO规范2区相关规定（见图5（b）），除不考虑梁体底缘温差外，其余规定同美国AASHTO规范。

图5 我国公路规范规定的竖向温度梯度

2.2 铁路桥梁设计规范

我国铁路现行桥梁设计规范根据桥梁采用轨道类型的不同（有砟/无砟）分别规定：有砟箱梁只考虑沿梁宽方向的温度梯度；无砟无枕箱梁应分别考虑沿梁高方向温度梯度和梁高、梁宽方向组合温度梯度[8]。箱梁竖、横向温度梯度分布均按指数规律变化（见图6）。

图6 我国铁路规范规定的箱梁竖、横向温度梯度分布图

我国铁路规范规定了箱梁截面竖向温差与地理纬度的关系，规定对于无砟无枕箱梁双向和单向计算时，截面竖向温差按图7取用。标准设计时可根据表5确定，截面最大正、负温差分别取20℃和-10℃。

图7 箱梁沿梁高温差计算图

表5 我国铁路规范规定的箱梁温度梯度参数

铁路规范针对不同板厚分别规定了温差曲线指数α′，箱梁沿板厚的温差曲线按下式计算。

式中：δ为板厚，m；α′为沿板厚温差曲线指数，按表6取值，m-1。

对于降温梯度模式，箱梁沿顶板、外腹板板厚温差曲线仍按指数分布，但α′采用14，相应的T0采用-10℃。

表6 沿板厚温差曲线的指数α′值 m-1

3 各国规范关于竖向温度梯度规定的对比

以3m高度的箱梁为例，对比英国BS5400、美国AASHTO、德国DIN 101、新西兰桥梁规范和我国公路、铁路桥梁设计规范关于混凝土梁体竖向温度梯度的规定，在不考虑梁体铺装层厚度的情况下，其竖向正、负温度梯度分布见图8。

图8 各国规范关于竖向温度梯度规定的对比

由图8可知，截面温差主要集中在距顶板边缘50cm范围内，各国规范规定的竖向温度梯度以非线性分布为主，其中包括折线分布（英国BS5400、美国AASHTO）、5次抛物线分布（新西兰桥梁设计规范）和指数分布（我国铁路规范）。各国规范规定的截面竖向最大负温差约为正温差的一半，同时考虑与正温度梯度分布规律的不同[9]。

4 结论与展望

各国规范主要根据本国区域内结构温度场实测结果制定，但由于所处地理位置、太阳辐射强度等不同，不同规范所规定的截面温差值具有一定的差别。若考虑相同的截面温差值对比可知，我国铁路规范和新西兰桥梁设计规范规定的竖向温度梯度基本吻合，美国AASHTO和英国的BS5400也较为接近。

德国DIN101和英国BS5400在规范中也列出了不同铺装层厚度对截面顶缘竖向温差的影响。若以5cm铺装层为基准，由不同厚度铺装层温差修正系数可知（见图9），梁面铺装层厚度对减弱竖向温差作用明显。对于梁体顶面覆盖道砟的情况，德国DIN101规定在覆盖60cm碎石道砟的情况下，梁体顶缘温差为未覆盖区域的60%。在竖向非线性温度梯度作用下，简支箱梁截面仅产生自应力；对于连续箱梁，其截面最终的应力状态为自应力和次应力的叠加。

图9 不同厚度铺装层温差修正系数

我国高速铁路箱梁与普通铁路、公路箱梁的主要区别在于梁体刚度和表面覆盖物（类型和布置）2个方面，研究铁路预应力混凝土箱梁竖向温度梯度对结构受力和变形的影响，应准确模拟桥上有砟/无砟轨道结构对箱梁温度分布的影响，以及根据不同阶段选取合适的温度梯度，并对其进行深化研究。

[1] 北京交通大学. 秦沈客运专线综合试验科技攻关项 目：整孔简支箱型梁桥综合试验研究报告[R]. 北 京，2007.

[2] 英国标准BS5400：钢桥、混凝土桥和结合桥 （1978—82版）[M]．成都：西南交通大学出版 社，1986.

[3] 美国各州公路和运输工作者协会. 美国公路桥梁设 计规范：荷载与抗力系数设计法[S]. 北京：人民交 通出版社，1997.

[4] 德国标准化研究所. 德国工业标准DIN101专业报 告：桥梁的荷载[M]. 柏林：博伊特有限公司出版 社，2003.

[5] 王毅. 预应力混凝土连续箱梁温度作用的观测与分 析研究[D]. 南京：东南大学，2006.

[6] 交通部公路规划设计院. JTJ 023—1985 公路钢筋 混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S]. 北京：人 民交通出版社，1985.

[7] 中交公路规划设计院. JTGD 62—2012 公路钢筋混 凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S]. 北京：人民 交通出版社，2012.

[8] 中铁工程设计咨询集团有限公司. TB 10002.3—2005 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规 范[S]. 北京：中国铁道出版社，2005.

[9] 杜宝军. 中外铁路荷载标准制定方法及中国高铁 荷载标准“走出去”适应性分析[J]．中国铁路， 2016(9)：10-16.

Research on Domestic and Foreign Speci fi cations on Vertical Temperature Gradient

LI Wei
（Scientific and Technological Information Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

Vertical temperature gradient generates impacts on integral and local stress and deformation of box girder, however, pre-stressed concrete box girder widely applied currently have great variation in crosssection and structural rigidity. The research results considering small box girder without ballast and sleeper are not applicable. Therefore, it is necessary to study domestic and foreign specifications on vertical temperature gradient. By comparing BS5400, AASHTO, DIN101, bridge design codes in New Zealand, bridge design codes for railway and road bridge in China, the author compares distribution of plus and minus vertical temperature gradient by taking a 3m high box girder as an example and not considering the thickness of pavement layer. Then the author concludes that, in order to grasp the impact of vertical temperature gradient on stress and deformation of pre-stressed concrete box girder, influence of ballasted/ballastless track on bridge to temperature distribution of box girder shall be simulated precisely, so as to select proper temperature gradient according to different stage.

bridge；temperature gradient；design code；cross-section temperature difference

U441+.5

A

1001-683X（2017）09-0073-06

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.09.073

中国铁路总公司科技研究开发计划项目（2013G014-D）

李葳（1983—），女，助理研究员。E-mail：10913202@qq.com

责任编辑 苑晓蒙

2017-03-24