2020年度进展32：桥梁温度作用与效应

PART-1 引言

桥梁结构在建造、使用过程中温度状态发生变化。由于组成桥梁结构的材料一般具有温度变形特性，使得桥梁设计、建造与使用过程中都需要考虑温度所带来的影响。

造成桥梁结构温度变化的外部环境因素包括太阳辐射、桥梁构件之间的热传导以及空气流动产生的对流换热等。此外，建造过程中混凝土水化热、钢结构焊接以及高温沥青铺装等都会在桥梁结构中产生温度场与温度效应。在使用过程中，车辆失火或爆炸等偶然极端情况也会使桥梁结构承n受高温作用。桥梁中的环境温度作用可产生较大的变形或应力，与其他荷载作用叠加可能危害结构安全；对于一些特殊桥梁，环境温度作用的影响甚至超过恒载和活载成为主导作用，增加桥梁建造难度，危害桥梁耐久性与运营安全。

近年来我国交通网络逐渐向高寒、高海拔地区延伸，桥梁结构受到的温度作用日益复杂，桥梁温度场与温度效应日益受到研究者关注。本文对近1年来桥梁温度作用研究进展进行梳理。由于混凝土水化热、钢桥焊接温度效应在混凝土以及钢桥行为研究中也受到较多的关注，本文主要梳理桥梁环境温度作用以及火灾（偶然温度作用）相关研究成果。考虑到科学研究过程的延续性，本文也涉及部分2019年桥梁温度作用相关研究成果。

近一年来，桥梁温度作用主要集中在以下几个方面：环境温度场及其作用机理、温度荷载、环境温度效应、火灾温度场与温度效应、抗火性能。通过近一年文献统计和分析，桥梁温度作用在ASCE Journal of Bridge Engineering，Structural Health Monitoring，Journal of Civil Structural Health Monitoring，中国公路学报，桥梁建设，土木与环境工程学报等期刊杂志中收录的较多。

PART-2

桥梁环境温度场

环境温度作用是桥梁结构承受的最普遍、最主要的温度作用，准确获得桥梁环境温度场，是进一步研究温度荷载以及温致效应的基础。近年来桥梁结构环境温度场的研究集中在温度场测试以及数值仿真分析所需的热力学边界条件方面。

Chenyu Zhang等[1]在青海高寒高海拔地区开展了15个月的钢-混组合梁模型环境温度场测试，提出了综合考虑辐射量、遮蔽效应的二维温度场计算模型。并将测试结果与仿真分析结果进行对比，验证了分析模型的有效性。

图1 文献[1]中温度场测试模型与提出的温度场计算模型

Tianyou Tao[2]等为克服基于传热学理论研究桥梁温度场影响因素多、边界条件复杂等问题，将桥梁长期环境温度场视为规定谱与概率性质的随机过程，基于苏通长江大桥钢箱梁的温度场监测数据，分析了功率谱密度模型、相干函数和高阶矩。温度场监测数据表明温度变化是具有相当大峰度、偏度的非高斯过程，基于此将温度场模拟转化为多元非高斯随机过程的模拟，基于Hermite变换的谱表示法对苏通长江大桥钢箱梁的温度场进行了分析。考虑到非高斯特性对桥梁进行了为期两年的模拟，通过与提出的谱、概率模型的比较验证了模拟温度场，模拟结果与实测的温度特性特别是时间历程、PSD、PDF以及相干函数具有良好的一致性。

薛仪[3]评估了基于地面气象共享数据获取桥梁场地气温、风速的插值方法。分析了现有桥梁温度场计算中晴空辐射模型的不足，提出基于气象卫星数据和地面气象站数据预测地面太阳总辐射和散射辐射的方法，基于长期实测的大数据统计分析，建立了总辐射与散射辐射的预测模型，并采用场地监测数据对模型进行了评估和验证。

Xiao Lei[4]等开展了一座五跨连续混凝土箱梁温度场的实测，测试了桥梁顶面、腹板附近的辐射强度以及顶底板、腹板温度，对比了实测辐射强度与经验公式计算辐射强度，发现实测与理论辐射强度之间存在较大差异，同时基于辐射强度与实测温度值之间的关系，拟合了箱梁横向最大温差与辐射强度之间的关系式。

图2 文献[4]实测太阳辐射强度与拟合横向温差

Leanne Lawson等[5]针对美国西南沙漠地区强太阳辐射、极端日温差气候条件下桥梁温度梯度可能超出规范的情况，根据气象站长期测试数据，基于热传导分析计算了混凝土箱梁以及组合梁的温度梯度，计算得到的桥梁上表面与内部温差较规范取值大10℃；对于混凝土桥梁，使用五阶多项式较目前的多线性温差模式更具有代表性；对于钢-混组合上部结构，钢梁中的温度显著高于规范设计值。

图3 文献[5]计算温度梯度与规范比较

Tuo Shi等[6]在西藏开展了一段75m长钢管混凝土拱节段环境温度场的现场实测，发现钢管-混凝土内温差符合对数正态分布，50年重现期的正温差模式中T1=16℃、T1=10℃，负温差模式中T1=T1=-8℃，与中国规范存在显著差异。

图4 文献[6]测试图片与实测温度曲线

Xingwang Sheng[7]等针对小曲线半径混凝土箱梁桥的时变温度场进行分析，基于光线追踪算法考虑了梁段走向、遮蔽效应的影响，发现小曲线半径桥梁中桥梁轴向温差高达9℃。

杨阳等[8]在人工气候模拟试验箱和室外环境下，对一个直径630mm圆钢管混凝土试件和素混凝土对照试件进行了截面温度场的测试，分析了大直径圆钢管混凝土截面温度场的分布规律。试验结果表明钢管混凝土试件和素混凝土对照试件截面温度分布与变化规律基本一致，变化幅度明显滞后且小于气温，无日照作用时截面温度场呈均匀分布，日照作用下截面温度场呈非均匀分布。钢管混凝土试件和素混凝土试件截面最大温差主要取决于太阳辐射和气温变化幅度。

黄全成等[9]针对高速磁浮严格的线型要求，采用数值仿真分析研究了磁浮箱梁的日照温度场，并进一步分析了风速对于箱梁温度梯度的影响。研究发现受日照辐射、风速、大气温度等差异的影响，不同地区箱梁的竖向与横向最不利温差大小不一致，但温差分布趋势一致；箱梁竖向与横向温差梯度与规范相比存在一些区别，主要表现为温差非单方向减小；风速对于箱梁的温度梯度有较大的影响，随着风速的增大，箱梁温度梯度有减小的趋势。

近一年桥梁环境温度场研究中钢-混组合桥梁比重越来越大，研究手段主要采用现场实测和基于传热学的数值仿真分析。由于数值仿真分析中太阳辐射、对流换热等热边界条件对温度场影响较大，较多的研究者开展了符合实际情况的辐射强度模型研究。除热边界条件外，温度场数值仿真分析中还需要考虑桥梁走向、涂装、遮蔽效应、地形等复杂因素的影响，大大增加了分析难度。对此，部分研究者基于概率统计开展温度场的研究，为温度场预测提供了新思路。从既有研究发现，桥梁温度场进一步研究的着眼点包括但不限于：典型结构、典型环境特征桥梁环境温度场的长期测试，考虑精确热力学边界条件的环境温度场模拟等。

PART-3

桥梁环境温度作用

为便于描述温度场在桥梁上产生的效应，需要将温度场进行分解。根据桥梁结构的受力特征，现有规范以及研究中一般将温度场分解为沿桥梁轴向的均匀温度，沿桥梁断面的纵、横向温度梯度。

刘永健等[10]系统总结了现有规范、研究中关于钢-混组合梁桥温度作用（均匀温度作用、竖向温度梯度）成果与不足，提出钢-混组合梁桥温度问题研究的发展方向应集中在开展基于效应分类的组合梁温度作用模式研究，指出从统计学意义上明确桥梁温度作用代表值的意义与实现路径。

樊建生[11]对各国桥梁规范温度荷载的规定进行归纳对比，讨论不同规范中温度荷载计算方法的特点，总结中国现有规范对全国气候划分的分辨率不足､对日照辐射的考虑不够完善等有待提升之处。提出基于可靠度理论的组合结构桥梁设计温度荷载模型，基于MATLAB编制钢-混组合梁截面温度场数值模型，将二维瞬态温度场问题转化为一维瞬态温度场问题，提高了求解效率。分析中将钢-混组合截面竖向进行分层离散，假定各层温度一致，基于热传导与能量守恒定律推导各层单元热传导方程，最后组装求解联合微分方程，计算形成组合结构桥梁温度场时程数据。进一步利用极值模型获得桥梁设计的温度荷载代表值。

图5 文献[11]钢-混组合梁截面温度场分析离散模型

孙增寿等[12]针对曲线梁桥在温度荷载作用下产生竖向变形、切向位移和横向位移，且横向位移严重影响曲线梁桥安全性与耐久性的问题，为确定曲线梁桥日温差的分布规律，用光纤传感器对一座沥青铺装的预应力混凝土在役曲线梁桥进行1a的温度数据实时监测，并采用聚类分析、参数估计和假设检验等方法对曲线梁桥温差代表值进行分析计算。研究结果表明：沥青铺装预应力混凝土在役曲线梁桥竖向和横向日最大正温差服从两参数的Weibull分布，竖向日最大正温差标准值为21.7℃，频遇值为21.4℃，准永久值为20.3℃。横向日最大温差标准值为14.1℃，频遇值为13.7℃，准永久值为12.6℃，横向温差标准值占竖向的64.9%，对中原区域曲线梁桥设计计算中温度的取值提供了依据。

顾斌等[13]提出了一种基于历史气象参数的桥梁结构日照温度作用代表值计算方法，以一座混凝土箱梁桥为背景对该方法的可行性进行了验证，并同时分析了气象参数对混凝土箱梁竖向日照温差的影响规律。该混凝土箱梁桥50年一遇竖向日照温差的代表值为18.65℃，超出了《公路桥涵设计通用规范》的规定；日太阳辐射总量越大，竖向日照温差越大；前两天大气温度对竖向日照温差也有一定影响；日最高温度越大，竖向日照温差越大；风速对竖向温差的影响与日太阳辐射总量有关，日太阳辐射总量越大时，风速对竖向日照温差的影响也越大，影响规律也越明显，当日太阳辐射总量较小的时候，风速对竖向日照温差的影响较小，同时也无明显关系。

Hagedorn等[14]开展了3个不同构造的ASSTHO I型混凝土梁在自然环境下的温度场测试，以确定该类梁的竖向与横向温度梯度。试验结果表明现有AASHTO设计标准中只考虑竖向温度梯度，且在预测梁的温度梯度形状和数值方面是不准确的｡

图6 文献[14]试验图片、温度时程以及竖向温差曲线

Liu等[15,16]针对钢管混凝土(CFST)桥梁环境温度场分布规律、影响因素､温度作用模式和取值､温度效应计算方法等研究现状进行了总结，针对钢管混凝土杆件、桁架等结构提出了温度效应计算框架，并进一步展望了钢管混凝土桥梁中构件倾角变化导致的纵向温度不均匀分布､温致钢-混界面脱粘、构件之间的遮蔽效应等问题。对3个不同倾角的钢管混凝土构件进行了温度以及辐射、气温、风速同步测试，测试发现不同倾角下CFST构件阳面温度场存在差异，并基于测试数据建立了预测任意倾角CFST构件最大温差的经验公式。

Gu等[17]根据苏通大桥实测数据分析了大跨度预应力混凝土箱梁桥2个截面的温度变化，提出二维温度场分析模型并研究了梁体的尺寸对混凝土箱梁温度分布的影响，再利用实测数据和桥梁三维力学有限元模型，提出了考虑桥梁纵向变化的简化温度梯度模型并利用三维温度场分析结果进行了验证。

图7 文献[17]温度场测点以及提出的大跨度混凝土箱梁温度荷载模式

刘江等[18]基于一座混凝土箱梁的温度场长期测试数据，提出了混凝土箱梁的竖向温度曲线形式，并基于极值分布理论得到了温差代表值。基于有限元数值模拟，建立以纬度､海拔和日温差为参数的混凝土箱梁顶部和底部温差代表值的经验公式。并将361座城市的混凝土箱梁温差代表值划分为4个区域，4个区域混凝土箱梁顶部与底部温差代表值分别取为18℃、20℃、23℃、29℃，4℃、5℃、6℃、7℃。

图8 文献[18]测点布置、测试结果、温度模式以及分区图

Wang等[19]对大跨度预应力混凝土梁斜拉桥的结构温度和温度效应进行了监测，发现温度沿梁的深度呈三段式分布，其中顶面和底面的温度分别比腹板高15.4℃和10.3℃，监测到的温度分布与中国现行设计规范中的温度分布存在较大差异，并通过现场实测，发现拉索对侧墩附近､边跨中心和塔附近内力有显著的热效应｡

王力等[20]以一座新型波形钢腹板组合箱梁桥为工程背景，对2个波形钢腹板箱梁截面展开温度场现场实测，研究其日照温度场分布特征。结果表明现场实测混凝土顶板与腹板接触区域存在一定温差，实测温度场与现行规范相关规定具有明显差异；在竖桥向顶板梯度呈线性分布，腹板呈3次抛物线分布；在横桥向、底板均呈3次抛物线分布。

周浩等[21]以望东长江公路大桥为背景，基于结构健康监测系统１年的温度监测数据，分析该桥日照温度场分布规律，提出结合梁、桥塔竖向温度梯度以及斜拉索与桥塔、主梁温差的计算模式。

图9 文献[21]测得斜拉索与桥塔、桥面板温差分布

越来越多的研究成果表明现有规范中温度作用存在不足之处，比如部分地区温度作用模式与规范存在差异、温差值超出规范限值，此外对于我国设计规范中温度带划分分辨率不足､全生命周期温度作用代表值考虑不完善等情况，提出了建议。

从既有研究成果看来，桥梁环境温度作用进一步研究主要着眼于强辐射、大温差地区桥梁温度作用模式以及温度作用的地域性差异，此外对钢-混组合桥梁、大跨度复杂桥梁的温度作用以及桥梁全生命周期温度作用的研究方兴未艾。

PART-4

桥梁环境温致效应

桥梁的环境温致效应主要包括结构在温度场作用下受约束次应力、温度自应力以及相应的变形，影响结构安全性与适用性。由于温度场的周期性特征，长期温度作用也有可能与其它荷载联合作用，对桥梁适用性、安全性和疲劳性能产生影响。

Tanvir Hossain等[22]对美国路易斯安娜州一座预应力混凝土T梁桥温度致损机理进行了研究。对比了计算、实测与规范温度场，发现AASHTO温度梯度与实测温度吻合较好；根据试验结果计算了中支点约束弯矩并与截面开裂弯矩进行对照，同时也对比了各主梁的一阶、二阶温度应力，发现温度梯度并不会造成主梁截面应力超限，但温致效应与其它长期效应组合可能使混凝土拉应力超限而开裂。

图10 文献[22]温度测点布置、温度梯度

以及横截面温度应力

杨敏等[23]研究了强日照地区横向日照温差和横向刚度对多主梁桥梁温度响应的影响。基于真实的强日照地区实际日辐射温度场参数和热学边界条件，建立反映混凝土连续T梁桥温度效应的数值模型，以日照时间和桥梁横向刚度为参数，进行了日照横向温度效应分析。研究发现对多主梁桥横向温度基本只影响第一片梁；日照辐射较强的地区，横向温差对第一片梁所产生的温度内力和变形响应不可忽略，在日照5h时其梁底温度拉应力峰值可达到2.5MPa；横隔板数量和厚度会明显影响应力响应峰值大小，横隔板数量越少、厚度越小，峰值点越大；而T梁横向刚度对多主梁桥梁的横向温度应力影响不大。

曹成杰[24]针对一座铁路预应力混凝土连续刚构施工期间温度场进行测试，建议主梁竖向温度梯度在顶板、腹板处采用指数分布，在底板处采用线性分布，研究了温度作用对施工、运营阶段结构线形与应力的影响，发现日照对施工阶段主梁挠度影响较大。

王力等[20,25]研究了波形钢腹板组合箱梁桥的温致效应，发现由于顶、腹板接触局部的温差，在竖、横向实测二维温度梯度模式下，箱梁混凝土顶板上缘横向拉应力最大达1.02MPa。在干寒地区，日照作用下新型波形钢腹板组合箱梁顶板与腹板交界面存在明显的温度梯度。翼缘板上缘、顶板–腹板交界面和各箱室中轴线处出现的最大横向拉应力分别为2.42、1.83和1.26 MPa，可能引起桥面板开裂，在设计中应给予重视；实测温度梯度下，闭口型压型钢板可使各箱室顶板中轴线上缘横向拉应力降低0.5MPa以上，对桥面板抗裂有利；而开口型压型钢板可使各箱室翼缘板上缘横向拉应力提高15%～18%，对桥面板抗裂不利。

周浩等[21]结合健康监测系统与有限元分析研究了望东长江大桥温度变形效应，结果表明：斜拉索与桥塔、主梁的温差较大，温度效应对主梁挠度起决定作用；采用空间杆系单元建立的斜拉桥模型在温度作用下的挠度计算值偏保守。

张清华等[26]针对高原环境下混凝土(RC)桥塔表面开裂问题，提出波形钢板-混凝土(WS-RC)和预制UHPC板-混凝土(UHPC-RC)两种新型组合桥塔结构体系，采用ABAQUS有限元软件建立三种桥塔方案的节段有限元模型，对比分析桥塔节段的温度场与温度应力特性，以及UHPC层厚度对UHPC-RC组合桥塔抗裂性的影响｡结果表明：传统RC桥塔方案和WS-RC组合桥塔方案混凝土表面最大主应力均显著高于UHPC-RC组合桥塔方案；UHPC-RC组合桥塔方案混凝土应力集中程度及表面应力幅均显著降低；随内､外侧UHPC层厚增大，UHPC-RC组合桥塔内侧UHPC层内表面最大主应力值变化不显著，混凝土层及外侧UHPC层外表面最大主应力值均随之减小｡

顾斌等[27]以长江下游某大跨斜拉桥的倒Y形混凝土桥塔为例，基于传热学、气象学和计算机几何图形学等理论，建立倒Y形混凝土桥塔的三维日照温度场及其效应的有限元模型，对桥塔的三维日照温度场及其效应进行研究。研究结果表明：桥梁走向为南北时，塔顶纵横桥向的最大位移分别可达132.3 mm和8.7 mm，桥梁走向为东西时，塔顶纵横桥向的最大位移分别可达51.4 mm和25.7 mm；不论桥梁走向是东西还是南北，桥塔纵桥和横桥向的温度应力均超过C50混凝土的抗拉强度设计值1.83 MPa，与其他荷载组合时可能会使桥塔开裂，故建议在塔壁内外表面以及截面突变部位多布置钢筋或钢筋网片。

Niu等[28]以一座混凝土桁梁组合拱桥为例，研究了深谷地区桥梁结构的温度场分布及结构在此温度场作用下的变形特征，分析了不同温度场下全桥温度变形的机理，探讨了温度效应对桥梁局部损伤的影响｡Wang等[29]对桁架构件之间的温度梯度过大导致钢桁梁桥梁端出现明显的水平旋转角问题，利用某铁路双层桥面钢桁梁桥的长期监测数据，研究了温度梯度对其水平旋转角的影响；提出了钢桁梁桥大温度梯度方法､水平旋转角主导热荷载及主导温度梯度识别方法。

ZHOU[30]等探索了悬索桥温度导致的跨中竖向位移与塔顶水平位移，将温致跨中竖向位移等效为中跨、边跨主缆以及桥塔温度效应的叠加，而温致塔顶水平位移等效为边跨主缆与桥塔温致效应叠加。研究发现主缆温度在跨中竖向位移、桥塔水平位移中起主导作用；提出了温度等效长度以及统一的温致效应计算公式，并结合青马大桥进行验证。

Wang等[31]根据钢箱梁截面的实测温度数据，建立连续钢箱梁桥施工全过程的有限元分析模型，研究整孔安装的连续钢箱梁露天存放､环缝焊接和设置支座预偏量等环节温度作用下的应力和位移，归纳出温度作用对箱梁存放支反力和位移作用规律及支座预偏量处理方法。

Zhang等[32]针对悬索桥的缆索结构对温度变化非常敏感的问题，以多段悬链线理论为基础，结合几何协调､力学平衡和无应力索长守恒条件，提出了能适应不同的施工状态､边界条件和塔的刚度悬索桥缆索结构温度敏感性的分析方法。

Hu等[33]对矮寨大桥伸缩缝纵向变形进行长期监测，揭示了温度､车辆和环境激励共同作用下的伸缩缝的响应特性与力学行为。研究表明温度变化导致伸缩缝的纵向位移波动，但高频位移成分由车辆荷载与环境激励导致；频域分析表明车辆导致的伸缩缝拟静力纵向变位间隔为10分钟。

Sawicki B等[34]针对一座桥面板采用UHPFRC加固的后张法预应力混凝土箱梁开展28个月的温度与应力测试，并讨论了交通荷载与温度效应作用下的桥面板响应。研究发现桥面板中钢筋的温致应力幅与交通荷载应力幅相当，并给出了交通荷载与温致效应联合作用下应力建议值，基于S-N曲线的简化疲劳应力计算方法过于保守，可能高估结构响应。

Yu等[35]考虑长期移动车辆荷载和环境温度对斜拉桥正交异性钢桥面细部疲劳寿命的影响，基于斜拉桥结构健康监测系统的监测结果，建立了一种新的疲劳损伤回归分析模型，描述了路面日平均温度､年平均小时交通量(AAHTV)或年平均小时交通流重量(AAHTW)与基于应力的性能指标之间的正态相关关系，并结合可靠度曲线对结构进行了疲劳寿命预测。

姚国文等[36]对湿热环境下27个钢板-混凝土试件进行试验研究，分别进行5、10、15d的加速湿热老化，然后进行双剪试验，获得了钢板-混凝土界面发生剪切剥离破坏过程中的极限荷载、钢板应变分布及荷载-位移关系。分析了环境温度、湿度耦合作用对钢板-混凝土界面粘结耐久性能的影响，并综合考虑钢板-混凝土的粘结破坏模式、受力过程、粘结界面相对位移发展规律，提出了粘结界面剪应力、滑移与温度和湿度相关的表达式。建立了考虑温度、湿度影响的粘结-滑移本构关系模型。

B Algohi等[37]以两座实际钢-混组合梁桥为研究对象，测试了环境温度场作用下组合梁中性轴的变化，并采用回归模型建立中性轴与桥梁腹板温度测试之间的关系。进行了4年期的回归分析发现中性轴位置以年为周期波动。研究发现高温时段钢-混组合梁的组合效应弱于低温时段。

近一年来温致桥梁结构响应相关研究对象包括梁桥（混凝土、钢及钢-混组合）、拱桥、悬索桥、斜拉桥以及一些特殊桥梁结构、构件，研究内容包括温度作用导致的结构应力、变形、损伤发展以及长期性能，研究手段以现场测试、数值仿真分析为主，部分研究者开展了模型试验研究。研究成果进一步证实了温度作用给桥梁结构带来损伤的可能性，也指出了未来研究需要关注温度作用与其他荷载作用组合的影响、时变温度作用导致的结构性能演化以及极端温度作用对结构安全的影响。

4.2 温度作用对桥梁动力行为的影响

温度作用可能改变桥梁结构的约束条件、影响桥梁材料特性，进而对桥梁动力特性与行为产生影响。

Jun Teng等[38]通过相关分析、数值仿真以及神经网络技术研究了温度效应对桥梁自振频率的影响机理。首先基于一座拱桥的长期观测结果，研究了温度场对自振频率的时空影响规律，然后利用数值仿真分析考虑内力、构件尺寸、弹性模量、边界条件等因素分析温度场对自振特性影响；基于遗传优化算法的BP神经网络分离出温度场的空间效应。研究表明主梁模态自振频率与温度导致的弹性模量、边界条件变化相关，主拱模态自振频率只与弹性模量相关。

图11 文献[38]分离梁、拱温度场对自振频率的影响

吴定俊等[39]为研究上海长江大桥在风、汽车荷载、温度、道路不平顺多因素影响下的列车走行性，将其视作温度变形、公路与轨道不平顺作用下的风-车-桥耦合动力系统。建立桥梁、列车车辆、不同类型汽车的有限元模型，采用模态叠加法进行车-桥动力计算。计算中运用随机交通流模型模拟公路交通流，采用文献中针对该桥风洞试验测定的主梁及车辆的气动参数，并将年温差引起的桥梁变形叠加到轨道和路面随机不平顺中。分别考虑了有无风荷载作用下温度作用、汽车车流类型和列车运行方式的影响，根据不同车速和风速组合下的计算结果，确定轮对横向力为列车走行性的控制指标，并提出了列车安全、舒适运行的管理原则。研究结果显示，年温差和汽车车流对列车动力响应的影响并不明显，列车响应随车速、风速的增大而增大。

Zhao等[40]对实测挠度数据进行小波变换，识别了温度和列车各自引起的桥梁挠度，在获得桥梁变形主要成分的基础上，验证了主梁挠度的温度敏感性。通过车桥耦合动力模型分析了主梁温致变形对车致变形的影响，使用t Location-Scale Distribution描述了列车引起的主梁挠曲变形的统计规律。基于监测数据与数值模型的相互更新，准确捕捉了温度与列车导致的主梁变形，确定了温度与列车耦合作用下主梁挠度报警阈值。研究表明温度作用导致的主梁车桥耦合振动响应振幅相对较小。

郑文智等[41]基于某三跨隔震连续梁桥，分析了环境温度、隔震支座初始位移及铅芯热效应对其地震响应的影响。首先，分析了隔震支座产生初始位移的机理。在此基础上选取36条近断层地震动记录，分别采用考虑与不考虑铅芯热效应的隔震支座模型，对该隔震连续梁桥进行了不同环境温度条件下的非线性动力时程分析，得到结构关键部位的动力响应。结果表明低温环境条件下，环境温度、初始位移、铅芯热效应共同作用会使得隔震连续梁桥结构地震峰值位移明显减小，支座、墩底峰值剪力显著增大，环境温度对隔震梁桥地震峰值响应起主导作用；当环境温度超过常温（20℃）时，由于环境温度引起隔震支座力学性能显著退化，环境温度、隔震支座初始位移、铅芯热效应的共同作用使得结构地震峰值位移显著增大，此时初始位移与铅芯热效应对隔震支座峰值位移、剪力、墩底剪力影响更为显著。由于部分近场地震动作用下的结构峰值位移显著增大，使得其峰值剪力呈现出增大趋势。

从近一年来温度场作用下桥梁动力行为方面研究成果看来，温度作用可在一定程度上影响桥梁自振特性，但对车-桥系统动力行为的影响较小；桥梁上使用温度敏感性构件如铅芯支座时，有必要考虑温度作用对桥梁动力行为的影响。

4.3桥梁健康监测中的温致效应问题

随着对交通基础设施尤其是大型桥梁等“咽喉”工程长期服役要求的提高，越来越多的桥梁中布设了健康监测系统。健康监测系统可以为桥梁环境温度作用研究提供丰富的测试数据；同时，环境温度作用增加了健康监测系统中结构响应数据分析与状态评估复杂性。越来越多的研究者关注在桥梁健康监测系统中分离或进一步利用温度效应的方法。

黄侨等[42]以南京长江三桥为研究对象研究斜拉桥挠度的温度响应，分析长期挠度监测信号的时间多尺度特性。采用小波多尺度分析方法，将挠度信号在两个时间尺度(日周期和年周期)上进行重构，实现温度效应的分离。以长期监测数据为基础，研究太阳辐射作用下日温度效应特点。结果表明：日温度效应在年周期内存在季节差异性，在日周期内相对太阳辐射具有滞后性；排除滞后影响，日温度效应与太阳辐射强度呈强正相关关系；考虑季节、大气温度以及太阳辐射的影响，提出了预测误差低于2cm的温致桥梁挠度计算模型，可实现日周期中任意时刻温度效应的预测。

吴海军等[43]基于线性回归思想，提出了一种在梁桥挠度监测数据中分离温度效应的实用方法；以江津长江大桥为工程背景，温度监测值为自变量，挠度监测值作为响应变量，建立线性回归模型，拟合回归直线方程以达到温度效应分离之目的。结果表明：跨中挠度变化与温度变化呈正相关性，箱梁内部温度变化与跨中挠度变化存在显著的线性关系，从实测值中扣除由拟合直线方程计算的温度效应拟合值即可将温度效应分离。利用残差设置相应的阈值可对桥梁日常运营进行有效的监测。

谭冬梅等[44]利用传统的集合经验模态分解法(Ensemble Empirical Mode Decomposition，EEMD)将单通道的桥梁挠度信号分解为一系列线性平稳的本征模函数(Intrinsic Mode Function，IMF)；然后，采用基于能量熵增量的判别法识别并剔除虚假的IMF分量，将能量熵增量较大的IMF分量组成盲源分离模型的输入信号；最后，采用矩阵联合近似对角化(Joint Approximate Diagonalization of Eigen-matrices，JADE)算法对输入信号进行盲源分离。通过有限元软件Midas/Civil建立了背景桥梁模型，经仿真分析得到了各单项因素作用下的桥梁结构响应，并将其叠加在一起作为待分离的混合挠度信号。仿真信号分离的结果与源信号的相关系数均在0.98以上，说明分离效果较好。最后，采集实测挠度信号进行分离，处于对称位置测点分离出的各挠度组分的相关系数均在0.9以上，证明了该算法的适用性。

Qing-Xin Zhu等[45]基于一座跨径108m钢桁梁桥的健康监测系统获得了2年期温度场测试数据（包括均匀温度、构件之间温差、箱型杆件温度梯度、H型杆件温度梯度），并分析了各种温度作用下的结构应变响应，最后分析了杆件应变响应与温度梯度之间的相关性。

图12 文献[45]杆件温度应变与温度梯度相关性

Eugene J O等[46]针对涵洞等小跨径桥梁动力响应不显著的桥梁，基于其桥梁损伤指标对温度变化的敏感性，提出将温度作为损伤代表值的方法。以斯洛文尼亚一座涵洞为研究对象进行了为期两年的应变与温度场测试，定义适用于计算桥梁应变的损伤指标并采用温度测试数据进行验证，最后提出将桥梁健康监测系统获得的温度信息与定义的损伤指标联合使用的方法。

Zhou等[47]基于健康监测数据分析了大跨度斜拉桥时变温差对结构梁长､挠度变化的影响机制，通过平面几何和有限元方法分析了变温荷载下的结构响应模态及温度效应敏感性简化公式，该简化公式可为大跨桥梁的温度效应分析提供支撑。

为解决结构响应与温度荷载之间存在的时滞效应问题，Yang等[48]提出了基于傅里叶级数展开拟合的相移方法，有效地减小了结构温度热响应的滞后回线面积，增强了结构响应数据与温度变化间的相关性，提高了系统评估预警的时效性和可靠性。

Wang等[49]考虑自回归成分提出了改进的贝叶斯动态线性模型，并利用该模型预测了大跨桥梁结构温度导致的结构响应，并以某斜拉桥的实时监测数据验证了改进的贝叶斯动态线性模型的可行性，采用改进后的贝叶斯动态线性模型能够准确地预测大跨桥梁温度导致的结构响应及状态变化。

上述研究表明，温度作用引起的结构状态改变不容忽视，在桥梁健康监测数据中分离温度作用而提高桥梁健康状态评估的有效性、可靠性是当前或未来研究热点之一。同时，桥梁健康监测信息也为分析桥梁温度作用、温度效应提供了重要素材。

PART-5

桥梁火灾高温作用与效应研究

火灾是威胁桥梁安全的突发灾害，其产生的高温作用使混凝土保护层碳化、爆裂甚至钢筋失效导致承载力大幅度降低，更有可能使钢结构桥梁在短时间内屈曲、失稳甚至垮塌。经调查，桥梁火灾多由油罐车、重载货车及其他燃油车辆事故造成，最为典型的是油罐车事故导致的油池火灾。油池火灾热释放速率高、蔓延快、扑救困难。近几年发生了多起油罐车爆燃致使桥梁倒塌或严重损毁事故，因此，桥梁的火灾高温问题受到越来越多的关注。

桥梁火灾高温效应研究一般包含以下研究内容：特定火灾场景下的温度场研究；火灾高温作用下桥梁结构行为及抗火特性研究。

5.1 火灾温度场

火灾温度场研究一般针对特定火灾场景，通过分析获得燃烧过程中结构外部的升温曲线以及结构内部的温度场。火灾环境下，桥梁构件通过与周围高温环境以及构件之间的热传递而升温，基于初始环境温度条件和传热学原理开展热传导分析可获得火灾高温作用时结构温度场，继而通过热-固耦合分析获得典型构件火灾高温下力学特性研究。

屈凯[50]选取ISO834标准火灾升温曲线和HC碳氢升温曲线开展钢筋混凝土板温度场分布的有限元分析。分析发现：火灾曲线的升温速率越快，相同时刻混凝土板背火面的温度越高，而随着混凝土板厚度的增大，背火面的温度显著降低。将钢筋混凝土板失去隔热性作为判断耐火极限的条件，计算得到了不同工况下构件的耐火极限，分析了各参数对构件耐火极限的影响规律，给出了不同火灾曲线下钢筋混凝土板达到一级耐火极限90 min所需的最小板厚。

杜咏等[51]针对预应力钢结构锚固系统，根据试验数据确定热铸锚填料锌铜合金和冷铸锚填料环氧树脂/钢丸混合物的比热容及导热系数计算公式。采用ABAQUS进行了ISO834标准火灾下锚固节点截面瞬态温度分布的参数分析。结果表明：随着受火时间的延长，热铸锚杯壁截面温度分布非均匀性逐渐显现，锌铜合金填料的升温速率显著低于锚杯壁；冷铸锚杯壁截面温度分布较均匀，包裹钢丝的填料区域较填料其他区域温度分布非均匀性降低。总体上，锚头沿中心轴的温度分布非均匀性显著，且升温明显滞后于环境温度，无防火保护的情况下锚杯内壁界面处的填料将在较短时间内失效。

试验研究方面，张建春等[52]和孟郅恒等[53]分别在燃烧炉中按照ISO 834标准升温曲线对钢-混组合梁和冷弯薄壁钢-陶粒混凝土组合板开展火灾试验，获得组合梁的钢腹板截面、混凝土翼缘板、混凝土板内钢筋的温度-时间变化曲线。由于标准升温曲线均在封闭燃烧空间获得，与桥梁半开放空间液体油池燃烧升温过程并不相同，不能反映桥梁火灾的温度时程，也难以考虑桥梁复杂的几何边界对火灾高温分布的影响。

邢德进等[54]对火灾下预埋温度传感器的混凝土试件进行高温试验，研究了单面受火和三面受火两种工况下温度在混凝土内部的传播以及分布规律。试验发现两种受火工况下混凝土内部的温度增长规律相似但温度值存在差异，同时相同位置的升温速度也不相同；受试件含湿量影响，当混凝土内部温度达到100℃时会出现温度平台，试件表面会伴随出现潮湿现象｡在试验的基础上采用大型通用软件ANSYS对混凝土试件内部的温度场进行了数值模拟，数值模拟结果与试验结果吻合较好。

开展燃烧试验成本高、危险性高，现有主流软件SES、Fluent、CFX和FDS等均可预测设定火灾场景下火灾烟气运行、温度变化规律，被广泛应用于火灾研究领域。

刘晓光、鞠晓臣等[55,56]基于大涡模拟法对铁路桥梁发生火灾时的温度场和桥下失火安全高度开展研究。根据铁路桥梁火灾案例调研结果，将铁路桥梁火灾场景设定为桥面列车火灾、开敞式桥下火灾、半开敞式桥下火灾3种，确定3种火灾场景的参数取值和火焰尺寸，采用FDS火灾场模拟软件建立火灾场景的模型，分析温度场和升温曲线，并确定桥下失火安全高度。结果表明：桥面列车火灾场景下，铁路桥梁温度场的升温曲线与RABT升温曲线类似；桥下火灾场景下，当桥下高度超过火焰高度的2倍时，桥面处的温度较低，桥面结构安全；桥墩在低于2倍火焰高度的部分仍需要考虑抗火安全问题。

郑净、李小珍等[57]基于油池火焰蔓延特性，探究了火灾下横隔梁对多肋钢筋混凝土Ｔ梁桥温度场的影响。首先利用火灾模拟软件FDS对两种典型油池火灾场景进行数值模拟，获得桥梁表面典型位置处高温温度场分布，然后通过有限元瞬态热分析确定火灾区域桥梁不同截面处混凝土T梁内部温度分布。

图13 文献[57]T梁火灾温度场

王莹等[58,59]以武汉杨泗港长江大桥为背景，利用火灾动力学软件FDS模拟桥梁上7种不同火灾燃烧场景，以此确定出桥梁最不利油罐车火灾热释放率函数增长模型及规模。将多项式拟合所确定的钢材热工参数函数赋予钢材板件，通过确定油罐车热释放率增长模型计算得到桥梁随时间变化的温度场。

尹云飞等[60]提出了基于趋势特征向量的火灾烟气流动与温度分布CFAST预测模型并将深度神经网络RNN，LSTM等用于对火灾发生时的烟气时间序列数据、温度时间序列数据的训练和预测，探讨了趋势特征、深度神经网络参数对时间序列数据预测准确性的影响。

近一年桥梁火灾温度场研究主要依托建筑结构火灾领域的研究成果，考虑桥梁火灾特点开展燃烧试验、数值仿真分析确定不同燃烧场景下桥梁结构\构件的温度场。随着机器学习技术的发展，也有研究者开展相关技术在火灾温度场预测中的应用。

5.2桥梁结构火灾高温效应

宋超杰和张岗等[61]以高4m、直径1.2m的柱式桥墩为研究对象，建立其经历最高温度、受火位置和受火高度相互耦合的火灾场景数据库，并根据桥梁遭遇火灾后柱式桥墩的实际爆裂特征，提出混凝土的高温爆裂“三级指标”；然后采用ANSYS有限元软件分析经历不同火灾场景后考虑混凝土爆裂的轴心受压柱式桥墩的荷载-轴向位移曲线，以及偏心受压柱式桥墩的荷载-横向位移曲线，从而得到极限承载能力的衰退曲线。在此基础上，建立了火灾后柱式桥墩的“四级损伤”指标。

郭震[62]为考察混凝土梁火灾高温破坏的影响因素，设计了受拉应力影响的梁式混凝土梁试件和试验方法，对比分析了长期服役混凝土梁和新浇筑混凝土梁在应力-火灾耦合作用下的破坏行为；Bilotta等[63]为评估GFRP钢筋混凝土板在火灾中的性能，通过建立GFRP混凝土板在ISO 834升温曲线下的有限元模型，针对不同钢筋类型（钢、GFRP、CFRP）、不同跨度和构件长度等开展了参数分析。Haitham[64]基于纯弯矩作用下梁截面的应变协调和力平衡，考虑了混凝土、钢筋和FRP筋的力学性能随温度升高而劣化的情况，预测了混凝土梁的抗弯承载力，研究了混凝土保护层、配筋率等重要参数对钢纤维混凝土梁在高温下的响应和破坏的影响。郭梓红等[65]为研究预应力混凝土T梁在火灾后承载能力随延火时间的变化规律，采用ANSYS建立实体模型，通过施加不同的火灾工况，设计材料在高温下的强度折减，计算不同火灾工况下的抗弯承载力并对其安全性进行评估。

钢的延性行为允许结构构件发生塑性变形（如屈服）而不会造成脆性破坏，但钢材本身不耐火，易受火灾影响。陈巍、沈锐利等[66]为探究H型钢混组合梁的耐火极限时间，建立H型钢混组合梁的热-结构耦合计算模型，分析了火源类型、外荷载大小、腹板厚度、受火区长度对H型钢混组合梁耐火极限时间的影响。康俊涛和王伟[67]以主跨240m的某下承式钢桁架拱桥为研究对象进行受火分析计算，研究了汽车火灾对大跨度钢桁架拱桥结构受力性能的影响，研究结果表明：钢桁架拱肋在油罐车火灾作用下受火构件的最高温度达540℃；主要传力构件在温度为430℃时屈服，达到承载能力极限状态，热膨胀效应与内力重分布导致附近构件的应力增幅达60～180MPa；桥面竖向位移变化最大为115mm，最大横向高差为108mm。油罐车火灾主要对火源附近3根吊索的温度场产生影响，受火吊索索力减小使得桥面下挠33mm，主梁应力增大35MPa。

Merih Kucukler[68]研究了不锈钢工字形截面柱在高温下的弯曲屈曲性能和设计。建立了能够精确模拟不锈钢结构柱火灾响应的有限元模型进行广泛的数值参数研究，考虑到钢材等级、截面几何形状、长细比和不同升温曲线的影响，最后利用参数研究的结果，评估了EN1993-1-2中关于型钢柱火灾设计规则的安全性和准确性。

王庆杰等[69]采用有限元方法探究了火灾下螺栓连接蜂窝梁的屈曲性能，并与传统焊接蜂窝梁进行了比较，分析了不同连接方式对蜂窝梁孔间腹板的屈曲模式和屈曲温度的影响，并对上、下两T形部分采用螺栓搭接连接、以单侧拼接板对接连接和以双侧拼接板对接连接的蜂窝梁的屈曲性能进行了系统研究。

张岗、贺拴海等[70]对钢结构桥梁抗火防灾的研究现状进行了综述，梳理了国内外钢结构桥梁火灾发生时的场景以及钢结构桥梁遭遇火灾时的破坏形态，分析了钢结构桥梁火灾发生时的特点，强调了油罐车火灾对钢结构桥梁安全性能的严重威胁，给出了钢结构桥梁抗火防灾需要发展的关键技术。

近一年桥梁结构在火灾作用下的行为研究主要针对梁、柱等桥梁构件在高温作用下的结构行为以及性能退化展开，研究手段主要是数值仿真分析。建筑结构中相关钢、混凝土以及组合结构在火灾作用下的结构行为，也可为桥梁火灾作用、效应研究提供参考借鉴。

热点与展望

梳理近一年来桥梁温度作用与效应相关研究成果，并与往年相关文献对比发现，近年来桥梁温度作用与效应的研究越来越受到关注，研究对象、内容与研究手段更加多元化。统计相关热点领域如下：

（1）特殊气候、特殊桥梁结构的环境温度场研究。主要是针对西北、西南地区桥梁尤其是钢-混组合桥梁所处特殊气候环境下的温度场，同时也包括东南、中部地区大跨度桥梁在极端气候下的温度场研究。

（2）大跨桥梁及钢-混组合桥梁的温度作用特征，如更完善的桥梁温度分区，不同环境中桥梁构件的温度作用。

（3）桥梁温致静、动力响应，温致损伤以及对桥梁健康状态的影响研究。包括梁桥（混凝土、钢及钢-混组合）、拱桥、悬索桥、斜拉桥以及一些特殊桥梁结构、构件在温度作用下的应力、变形、损伤发展以及长期性能。

（4）桥梁火灾温度场及火灾高温作用下桥梁构件行为、性能退化机理，主要是针对具体桥梁结构采用数值仿真分析研究火灾温度场以及火灾作用下的结构行为。

根据我国桥梁工程发展特点，桥梁结构温度作用及效应研究发展趋势主要呈现在以下几个方面：

（1）典型结构、典型环境特征桥梁环境温度场的研究，如典型气候带（包括西北干寒地区、西南高海拔强辐射大温差地区等）典型梁、拱、柱、索构件的温度场长期测试，以厘清桥梁构件热力学边界条件以及温度场响应机理；

（2）考虑地域特性的桥梁全生命周期温度作用研究，如进一步研究桥梁温度场的地域特征，不同环境中桥梁构件的温度作用，并基于可靠度理论提出全生命周期环境温度作用模式，以完善相关设计规范。

（3）桥梁温度效应方面，需要进一步关注温度作用与其他荷载作用组合的影响、时变温度作用导致的结构性能演化以及极端温度作用对结构安全的影响。

（4）合理、有效利用桥梁健康监测数据，基于概率统计理论、机器学习技术识别大跨度桥梁温度作用与效应。

（5）更有针对性的桥梁结构火灾温度场测试，更精确、高效的桥梁火灾数值模拟技术以及高温作用下桥梁结构力学性能演化机理。

作者简介

肖林，副教授，工学博士，西南交通大学桥梁工程系副主任，中国钢结构协会桥梁钢结构分会理事。长期从事桥梁钢结构、钢-混组合结构桥梁的计算分析理论、耐久性方面的研究，并在桥梁结构动力学进行了较深入研究，主要承担《桥梁工程》、《钢桥与组合结构桥梁》教学工作。在钢-混组合桥梁剪力键、长期性能以及混合桥梁结构行为方面进行了较为系统的创新研究。主持和主研完成各类科研项目20余项，发表学术论文60余篇；获得各类专利15项、软件著作权1项。

主要研究方向：（1）新型高性能组合桥梁；（2）钢-混组合桥梁耐久性；（3）桥梁结构微振控制与利用。

电子邮箱：xiaolin@ swjtu.edu.cn

团队人员介绍

卫星，教授，博导，四川省学术与技术带头人后备人选，中国钢结构协会结构稳定与疲劳分会理事。长期致力于钢结构及钢-混凝土组合结构桥梁损伤机理应用基础研究，长期从事《钢结构设计原理》、《钢桥与组合结构桥梁》及《桥梁结构分析理论及方法》教学工作。在钢-混组合结构体系、焊接细节疲劳损伤机理及结构性能劣化机理三方面开展了卓有成效的创新性研究。主持和主研完成各类科研项目40 余项，发表学术论文150余篇。

主要研究方向：（1）钢-混组合结构桥梁复杂力学行为；（2）复杂服役条件下桥梁性能退化行为；（3）桥梁信息化及智能化技术。

电子邮箱：[e-mail]

郑净，博士研究生，讲师。主要研究方向：车-线-桥耦合振动与减振降噪研究，火灾高温下桥梁结构力学特性研究。作为主研人员参与国家自然科学基金1项及横向科研项目多项；发表及已录用中英文论文9篇，授权发明专利1项。

电子邮箱：[e-mail]

温宗意，博士研究生，主要研究方向为钢-混组合结构桥梁复杂力学行为、复杂服役条件下桥梁性能退化行为。

电子邮箱：[e-mail]

李刚，博士研究生，主要研究方向为钢箱梁空间力学行为、钢结构稳定性，目前承担中铁二院、中铁大桥院横向科研课题研究。

电子邮箱：[e-mail]

康志锐，博士研究生，主要研究方向为新型高性能组合桥梁、钢-混组合桥梁耐久性。

联系邮箱：[e-mail]

赵骏铭，硕士，科研助理，主要研究方向为钢及钢-混组合结构的疲劳。

电子邮箱：

[e-mail]

岳奕町，硕士研究生，主要研究方向为钢-混组合桥梁温度效应。

电子邮箱：[e-mail]

杨妍秋，硕士研究生，主要研究方向为钢-混组合桥梁温度效应。

电子邮箱：[e-mail]

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