本研究通过对混凝土–钢包壳组合梁的试验热测量，评估了露天热荷载对组合梁的影响。

1　试验概况

合理布置梁的位置，确保太阳辐射能到达梁的所有部位，不会受到附近建筑物的遮挡，保证所有部位的空气自由流动，从而实现了桥梁结构环境热负荷的准确模拟。

试验中使用了两套测量仪器，其中一套由3个传感器组成，形成了一个优化的气象站，包括一个太阳能保护的传感器（用于记录空气温度），一个传感器（用于记录野外风速），一个太阳热辐射计。这3个传感器安装在一个钢架上，每30 min同时捕获一次测量数据。另一套包括热电偶和应变计，它们嵌入梁中以捕获温度和热应变。采用T形热电偶以减小测量误差，采用振弦应变片记录应变。热电偶和应变传感器也连接到同一个数据记录仪上，与气象站的数据同时进行测量。

12个热电偶布置在混凝土翼缘和腹板上，编号为IC1~IC12，其位置如图1所示。

图1 试件尺寸及热电偶布置示意

此外，在预埋钢筋上布置了3个热电偶，编号为IS1~IS3。热电偶放置在位于光束长度中心的截平面上。将所有传感器的导线进行捆扎收集，以便与录音采集系统连接。在混凝土材料中安装了两个相同类型的应变片ISG1、ISG2，应变片布置如图2所示。

（b）

图2　应变片布置示意

（a）试件截面；（b）上翼缘配筋

2　气温记录

图3~图5给出了热电偶的温度记录，采集了从 2021年12月21日至2022年2月22日冬季月份热电偶的每小时最高温度、最低温度和温差（最高温度–最低温度）。

图3　每小时内的最高温度

图4　每小时内的最低温度

图5　每小时内的温差

每小时最高温度为36.5℃，于2022年2月18日下午2:00由热电偶IC4测得，最低温度为–7.3℃，于2022年1月3日上午6:00由热电偶IS2测得。

15个热电偶每小时最低温度的最高值为24.3℃，于2021年12月21日下午1:00由IC4测得，最低值为–8.4℃，于2021年1月28日凌晨4:30测得。

热电偶的逐时温差在2022年1月20日下午1:30时最大，为13.3℃。所测时段内，温差的最小值为0℃。

3　垂直温度梯度

通过计算沿腹板中心线布置的热电偶之间的温度差，得到了垂直温度梯度。

图6~图8给出了研究期间温度的逐时变化，以及热电偶IC1、IC2、IC3和IC10的日最高温度和最低温度之差。IC1与IC2、IC1与IC3、IC1与IC10的温差最大值分别为3.11℃、5.7℃、6.66℃，温差最小值 分别为–1.4℃、–2.2℃、–1.25℃。

图6　每小时温度差（IC1与IC2）

图7　每小时温度差（IC1与IC3）

图8　每小时温度差（IC1与IC10）

以IC1为顶面热电偶，计算沿梁纵轴方向的温度梯度。

IC2是安装在顶部混凝土翼缘上的热电偶，位于顶面下方25mm处（IC1下方25mm处）。

IC3安装在顶部混凝土法兰中心，距顶部表面50mm。

IC10为主梁底面热电偶，安装在底部混凝土翼缘底面。

因此，IC1与IC2、IC3的差异表现为顶部混凝土翼缘内的温度梯度，而IC1与IC10的差异表现为 梁的顶底面之间的一般线性梯度。很明显，与IC2相比，IC3与顶面（IC1）的日温差最大值更高，这是由于IC3在顶部混凝土法兰中的位置比IC2更深，而混凝土越厚热传导越慢。

4　热应变

从2个振弦应变计得到的热应变如图9所示。

图9　试件截面的热应变变化曲线

图9曲线为应变记录减去初始记录所产生的净值，考虑了记录开始时间作为初始时间和其记录作为基准时间的净热应变。

开始时间为2021年12月21日上午12:00。为了更好地看出曲线间差异，图9仅给出10?d的数据。

由于温度从上表面到下表面垂直变化，引起非线性梯度分布，进而产生非线性热应变，造成试件截面非线性变形。这些应变称为自由热应变。根据欧拉–伯努利梁理论，自平衡应变的作用是将非线性变形平衡为线性变形。因此，这种应变在较热的纤维中是压缩的（以平衡非线性膨胀），在较冷的纤维中是拉伸的（以平衡非线性收缩）。

图9中试验记录的热应变曲线也反映了自平衡应变的行为，当应变显示在夜间 （无光照时间）内受拉时，梯度曲线在顶部表面（应变片的位置）为负。在白天的日照时间内，情况恰好相反：太阳辐射导致正向温度梯度，试件上部表面的温度升高引发了压缩应变，这是为了平衡因温度梯度增加而产生的非线性膨胀。由于太阳的集中辐射，正午受热功率增大，压缩应变增大到最大值，而正弦变化从日落开始趋于零值。试验期间（冬季10?d）最大记录压应变约为110微应变，最大记录拉应变约为40微应变。

5　结论

通过测量2021年12月21日至2022年2月22日期间安装在复合梁内外的应变计、热电偶和气象传感器的记录，得出如下结论。

（1）在研究期间（寒冷季节），15个热电偶在混凝土中的温差大于钢筋的温差。2022年1月20日下午1:30时最大温差为13.3℃，不同时间最小温差为0℃。记录到的梁内最高温度为36.5℃，最低温度为–7.3℃。

（2）热应变随时间呈正弦变化，这种变化与每小时内的受热和受冷直接相关。在白天炎热时段，梁顶表面的应变为压缩，梯度曲线为正；在夜晚时段，梁顶表面的应变为张力，梯度曲线为负。2021年12月21日至30日的露天受热和受冷荷载导致最大压应变为110微应变，最大拉应变为40微应变。

（3）目前在桥梁建设中采用了深梁、Y形梁和多单元箱梁等几种特殊的梁构型。因此，研究组合梁结构在冷热季节的热响应是非常必要的。