钢-混凝土组合结构桥梁温度场及温度效应研究

钢-混凝土组合桥梁温度场和温度效应的研究对保证组合桥梁的安全性和耐久性具有重要意义。本项目对组合桥梁的温度场和温度效应展开研究，重点开展了模型试验、数值模型开发、温度荷载极值分析等工作，取得的主要研究成果如下： （1）设计一组组合箱梁桥节段的温度场试验，分别在室内采用烤灯辐射和在室外进行日照辐射。通过温度传感器和应变计测量了试件的温度场和温度应变，并对不同条件下的试件温度分布进行归纳总结。提出了组合桥日照温度场的三种不利温度分布模式。 （2）建立了组合桥日照温度场精细分析的理论模型，并在通用有限元软件ABAQUS平台开发实现，其中太阳辐射和遮挡效应的模拟通过UFLUX子程序二次开发实现。通过对温度场试验和已有文献中的试验数据进行检核，验证了精细数值模型的准确性和可靠性。 （3）在平截面假定基础上推导了桥梁截面二维温度场的分解公式。以标定后的精细数值模型为基础进行广泛的参数分析，讨论了季节、桥梁朝向、桥梁几何尺寸、沥青铺装层等对组合桥日照温度场的影响，确定了组合桥梁最不利温度效应的参数组合。 （4）为提高计算效率，开发了组合桥日照温度场的高效数值模型，并采用数值计算软件Matlab编程实现。通过与精细日照温度场数值模型的对比，验证了高效数值模型的准确性和效率。提出了组合桥日照温度场的两种竖向温度分布模式对应的简化公式。 （5）引入极值理论，建立了由地区气候统计资料计算组合桥设计温度荷载的计算框架。在此框架下，计算了我国主要城市的50年一遇的温度荷载数值，并绘制了我国组合桥的温度荷载取值的区域分布图。 （6）对典型三跨连续组合直线梁桥和曲线梁桥的温度效应进行了算例研究，并对曲线组合梁桥针对温度效应的支座布置方式进行了优化。 （7）在包括桥梁、隧道、建筑等多项工程中，直接应用了项目所发展的温度效应计算理论和方法。 2100433B

太阳辐射、气温等环境因素的改变将在桥梁结构中产生显著的温度变化和不可忽略的温度应力，对桥梁设计的安全性和耐久性有重要影响。由于钢和混凝土材料热工参数的差异，钢-混凝土组合结构桥梁的温度场具有自身的特点，采用基于混凝土桥梁温度场理论的温度荷载来计算组合桥的温度响应可能存在较大偏差。本项目计划采用数值模拟、理论推导、模型试验和实桥测试等方法对钢-混凝土组合桥的温度场和温度效应进行研究。首先，建立可反映组合桥梁特征的温度场及结构响应数值模拟平台，得到桥梁的典型温度分布模式。其次，分别在实验室条件和实际桥梁环境下进行温度场测试和温度效应试验，获得的数据可对数值模型进行标定和检验。最后，基于可靠度理论和不同区域的气象特征提出可供设计使用的组合桥梁温度荷载模型，分析多类组合桥的温度响应特征。本项目成果有助于更准确合理认识组合结构桥梁的温度分布模式和结构响应机理，并可供工程设计参考。

由于焊接温度场的温度范围比较大而ICCD动态范围比较小，因此焊接温度场实时检测存在很大困难。这里对焊缝及热影响区分成三个区域：高温区、中温区、低温区，相应传感器中ICCD的曝光时间分别为0.1ms，0．5ms，2ms。经过分区检测处理连接后可以得到整个温度场分布，系统检测时间在0.5s之内，检测温度范围为800℃-1400℃ ，对于单个温度区的检测时间小于0.15s，完全满足焊接温度场实时检测及控制要求。

采用TIG焊接方法的实时检测焊接温度场分布，焊接条件是：焊件为低碳钢60mm×50mm×2mm。保护气体为氩气，流量是0.5m³/h，焊接电压12V，焊接电流60A，焊接速度5mm/s，电极为钨极。从焊接温度场可以获得很多信息如任意等温线的分布、焊接方向温度分布、焊接横截面温度分布，因此能够得到焊接熔化区大小、焊接热影响区太小、焊缝及热影响区任意一点的热循环。

在稳定的焊接规范下，焊接温度场认为是准静态温度场，在焊接方向任意一条直线上的温度分布可以认为是该直线上任意一点所经历的温度变化，也就是该点的热循环过程 。

焊接温度场实时检测一直未能解决，这主要是温度场检测本身就十分困难，它存在对检测距离、目标材料发射率等依赖性比较大的问题，而焊接过程中热过程的瞬时性、局部性、热源运动及熔池液体金属激烈运动等使得焊接温度场检测更加困难。目前焊接过程的研究已从宏观过程控制深入到焊接微观质量控制中，同焊接宏观质量控制一样，微观质量控制的主要困难是获得表征这些微观质量的传感技术。焊接温度场的分布，决定了焊接的热循环，在材料成分一定的情况下也决定了焊接微观组织皮其变化，决定了焊缝及其热影响区的宏观性能，因此焊接温度场能够比较全面和深入反映焊接质量，它的实时检测及热循环参数的提取对实现焊接微观质量控制具有重要的意义 。

影响温度场的因素很多，如热源的性质和功率、被焊金属的热物理性质（导热系数等）、焊接工艺参数（焊接速度、板厚、接头形式、坡口、预热、间隙）等。例如，与薄板相比，厚板由于散热快而使热影响区的宽度要小得多。

首先介绍了图像比色法焊接温度场实时检测系统构成及检测原理，研究了从温度场中提取焊接热循环参数的方法，实现了焊缝背面等温线宽度的闭环控制并取得了良好的控制效果，这种闭环控制系统实际上同时解决了热循环参数闭环控制和焊接熔透闭环控制的问题。

图像比色法温度场检测系统，主要由双色传感器、计算机双色热图像处理系统组成。其中关键是双色传感器，它由光学成像器件、双色调制盘、ICCD探测器等构成。系统检测过程是：物体辐射经过光学成像器件并由双色调制盘高速旋转调制在ICCD上交替形成双色热图像，使用计算机图像处理系统滤波等处理，之后进行双色灰度比值得到目标物体温度场分布。

目标物体辐射源经过包括双色调制盘在内的光学成像系统在ICCD光敏面上，然后经过ICCD光电转换成电荷量。

ICCD的响应特性和物体的温度，对于设计定型的检测系统，双色热图像灰度比色值分布与温度场分布有一一对应的关系，因此可以利用ICED双色热图像进行比色处理来实时检测温度场分布 。