高速铁路桥梁混凝土高墩温度模式及极值研究_戴公连.pdf

第 20 卷 第 3 期2023 年 3 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 3March 2023高速铁路桥梁混凝土高墩温度模式及极值研究戴公连1，王芬1，葛浩1，肖尧1，饶惠明2(1.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；2.东南沿海铁路福建有限责任公司，福建 福州 350013)摘要：桥梁的变形控制是高速铁路安全运营的基础，而高墩的温度模式及温度极值是影响桥梁变形的重要参数。由于现有规范没有明确的桥墩温度模式及温度极值的计算方法，研究具有高可靠性的高铁桥梁桥墩温度模式及温度极值预测具有重要意义，有助于准确评估桥梁工程整个服役周期里的安全性和稳定性。以昌赣客运专线上某高墩桥梁为例，研究长期太阳辐射及环境温度作用下高墩结构内部温度分布规律及温度极值情况。根据其39 m高墩温度测点2 a监测数据和大气温度资料，采用Bootstrap方法建立桥墩均匀温度及等效线性温差的最大熵极值模型，并验证模型的有效性和合理性。在此基础上分析桥墩不同温度分量的变化特征，估算在不同重现期下桥墩均匀温度分量及等效线性温差分量的代表值。研究结果表明：桥墩均匀温度分量时程曲线呈现出以年为周期的余弦变化规律，且其均匀温度分量和等效线性温差分量达到极值的时间有所不同；根据最大熵极值模型计算得到 50 a 重现期及 100 a 重现期时，桥墩均匀温度分量代表值分别为 40.6 和41.1，等效线性温差分量代表值分别为6.1 和6.5；该方法克服了在小样本时难以准确预测极值的缺点，能够因地制宜地建立桥墩温度分量极值模型，同时适用于类似结构温度极值要素的预测。关键词：高速铁路桥梁；混凝土高墩；现场试验；温度极值；最大熵模型；Bootstrap法中图分类号：U238 文献标志码：A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7029（2023）03-0961-12Temperature pattern and extreme value of concrete high pier of high-speed railway bridgeDAI Gonglian1,WANG Fen1,GE Hao1,XIAO Yao1,RAO Huiming2(1.School of Civil Engineering,Central South University,Changsha 410075,China;2.Southeast Coastal Railway Fujian Co.,Ltd.,Fuzhou 350013,China)Abstract:The deformation control of bridge is the basis of safe operation of high-speed railway.Both the temperature pattern and extreme value of high pier are important parameters affecting the deformation of bridge.However,their calculation method is not clear in the existing specification.It is of great significance to study the temperature pattern and extreme value prediction of high-speed railway bridge pier with high reliability,which is helpful to accurately evaluate the safety and stability of bridge throughout the service period.This paper took a 收稿日期：2022-04-04基金项目：国家自然科学基金资助项目(51708560)；中国铁路总公司科技研究开发计划资助项目(2017G006-N)通信作者：王芬(1992)，男，湖南衡阳人，博士研究生，从事高速铁路桥梁温度研究；Email：DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20220661铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 3月high-pier bridge on the Chang-Gan railway line as an example to study the temperature distribution and temperature extremes of a high pier under long-term solar radiation and ambient temperature.Based on the two-year monitoring data of a 39 m high bridge-pier and atmospheric temperature,the extreme value models of uniform temperature component and equivalent linear temperature difference component of pier were established,using Bootstrap and Maximum Entropy method.The validity and rationality of the model were verified.Then the variation characteristics of different temperature components of pier were analyzed.Moreover,the extreme uniform temperature component and extreme equivalent linear temperature difference component of pier with different return periods were estimated.The research conclusions are as follows.Time history curve of the uniform temperature component varies with the season and presents a cosine wave in the annual cycle.The uniform temperature component and the equivalent linear temperature difference component reach their extreme values at different time.The maximum uniform temperature component and the maximum equivalent linear temperature difference component of the pier are 40.6/41.1 and 6.1/6.5 within the 50-year/100-year return period.The proposed method overcomes the shortcoming that it is difficult to predict the extreme value accurately with small samples.The extreme value model of pier can be established according to local conditions.It is suitable for the prediction of extreme temperature elements of other similar structures.Key words:high-speed railway bridge;concrete bridge pier;field test;temperature extremes;maximum entropy;Bootstrap method 作为中国高速铁路基础设施的重要组成部分，高铁桥梁建设的发展将逐步完善现有的交通系统。在地面起伏、高差巨大的山区、深谷地区修建高速铁路，采用高墩大跨度桥梁是较为经济、合理的方案。高墩作为大跨度桥梁的支撑结构，其稳定性是桥梁和高速列车安全运营的基础。在服役期内，桥墩长期受到大气温度和太阳辐射的影响，使得其内部结构温度将产生周期性变化。在周期性变化的温度作用下，桥墩结构易产生显著的偏转和竖向膨胀收缩，进而危及到桥梁和高速列车的安全运营1，因此桥墩的温度模式及温度极值23是高速铁路桥梁设计中的重要参数之一。具有高可靠性的桥梁结构温度极值预测具有重要意义，它有助于准确评估桥梁工程整个服役周期里的安全稳定性。目前，国内外学者陆续对混凝土桥墩温度场进行了现场试验46，基于现场实测的温度数据，采用数理统计方法预测结构温度极值以此来评估桥梁安全，显示出了该方向的工程研究意义。欧洲桥梁规范7中完整提出了桥墩均匀温度以及等效线性温差的推荐值，但是能否适用于中国不同区域桥墩的工程应用尚无确切验证。DING等8分析了温度场的分布特征和统计特征，并结合桥梁设计使用寿命的回归期预测了结构温度极值。顾斌等9以长江上某混凝土桥塔为研究对象，基于1 a的现场实测温度数据和气象数据，采用极值理论分析了桥塔均匀温度的极值情况。ZHOU等10提出了一种基于广义帕累托分布的极值模型，利用实测温度数据来预测极端温度的统计分布。根据国内外已有研究可知，桥墩结构长期温度实测数据经极值模型拟合可建立桥塔温度极值概率模型并进行极值预测。然而，工程实践中，很少存在对桥梁结构进行超过10 a的长期温度监测数据，因此，如何根据桥墩短期实测温度数据进行温度极值分析具有重要工程意义。本文根据昌赣客运专线上某混凝土高墩温度测点2 a监测数据及附近气象站60 a长期大气温度资料建立年极值样本。并采用Bootstrap方法对样本进行重复有放回地随机抽样，建立最大熵极值模型，计算得到桥墩截面均匀温度及等效线性温差的周期性变化特征和一定重现期的桥墩温度分量代表值。跟常规方法相比，本文方法能够有效地克服样本不足的缺点，可为桥墩温度分量代表值的预测给出一种新的思路，同时给桥梁结构极端温度估算提供参考。962第 3 期戴公连，等：高速铁路桥梁混凝土高墩温度模式及极值研究1 现场试验1.1工程背景随着高速铁路的大发展，高速铁路桥梁的建设也迎来了蓬勃发展。中国地形条件因地而异，为了跨越山谷和河流，常采用高墩作为高速铁路桥梁的支撑结构。这些高墩通常采用圆端型混凝土空心结构。由于混凝土材料的导热性能较差，在周期性变化的均匀温度以及等效温差作用下，桥梁结构易产生温度变形。随着桥墩增高，温度变形会更加显著11。此外，相邻桥墩不同高差引起的温度变形不一致，当高差较大时也将直接影响到高速列车运营的舒适度和安全性。为评估大气温度对混凝土高墩结构内温度分布的影响，进行了现场温度场实测试验。选择昌赣客运专线某高墩桥梁为试验对象，该桥采用钢筋混凝土圆端空心桥墩，墩高39 m。该桥位于江西省境内，东经11520，北纬2738，桥向北偏东30。该桥墩截面平直段长度均为5.1 m，选取距墩底19 m处截面(其壁厚为70 cm)为测试截面。1.2桥墩测点布置方案为了监测高墩内温度分布情况，在浇筑混凝土前已经将 28个温度传感器全部绑在钢筋笼上，如图1中的1-1截面所示。监测所用的温度传感器型号为 BGK-3700，精度