我国超高层建筑数量日益增加,大量采用框架-核心筒混合结构,材料多采用钢-混凝土混合结构 ^[1]。钢管混凝土框架在施工过程中因一面处于暴晒状态,即使在施工完成后,玻璃幕墙作为围护结构时,太阳辐射对钢结构的影响仍然很大。竖向受力构件钢管混凝土柱截面温度场不仅受到大气温度变化的影响,还受到太阳辐射作用的影响。文献[2]进行的钢管混凝土试件截面温度场试验中没有考虑太阳辐射的作用。文献[3]对两个足尺钢管混凝土构件进行了日照作用下的温度实测试验,但温度测点布置较少,未能反映全截面的温度场分布情况。文献[4]进行了太阳辐射作用下圆钢管混凝土构件的截面温度场实测试验。文献[5]进行了太阳辐射下矩形钢管混凝土柱的截面温度场有限元分析。文献[6,7]进行了日照作用下圆钢管混凝土构件截面温度场实测试验及有限元分析。文献[8]对太阳辐射作用下钢管温度的简化计算进行了研究。文献[9]研究了太阳辐射模型对钢管混凝土墩柱温度场分布的影响。文献[10]总结和分析了空间结构太阳辐射非均匀问题的研究进展。文献[11]研究了太阳辐射下张拉整体高耸结构热学及力学性能。目前,方钢管混凝土柱常用于超高层建筑,在建造过程中没有围护结构遮挡,受太阳辐射影响显著,对于矩形钢管混凝土构件截面温度场的实测研究尚缺乏数据。

　　 本文以矩形钢管混凝土构件为研究对象,对不同截面尺寸的矩形钢管混凝土构件进行了温度场实测试验,在构件截面布温度传感器测定截面温度,对实测结果进行分析,研究太阳辐射下构件截面温度场的分布规律。

　　 试验选择在2016年8月1日至8月31日期间进行全天候监测,得到构件截面上各个测点的温度实测数据,绘制出温度-时间曲线。为了能够确保方钢管混凝土试件在整个实际监测测试期间一直处于较理想的室外环境,并且不受周围建筑物的阴影遮挡作用,本次试验将试件放置于天津大学附中东楼旁的空旷场地进行温度实测。

　　 本试验采用JTDL-80温度与热流动态数据采集系统,如图1(a)所示。温度传感器采用T型热电偶,准确稳定,使用方便,在常温时精度可达±0.5℃,如图1(b)所示。

　　 本次试验分尺寸大小不同的2个方钢管混凝土试件进行,均为竖立放置,试件具体参数如表1所示,其中B为试件截面外围边长,t_s为钢管的壁厚,L为试件的长度。

　　 矩形钢管混凝土试件加工时,钢管制作加工采用钢板拼接方式,用对接焊缝连接,焊接技术应满足规范要求。钢管制作完成后,焊接底板,然后浇筑C50混凝土。浇筑混凝土至钢管中部位置时,放置固定有T型热电偶的钢筋网架,然后再进行剩余部分混凝土的浇筑。浇筑完成后将混凝土顶面磨平,待混凝土在标准温度(20±3)℃和相对湿度90%以上的空气中养护28d,若混凝土收缩导致顶面凹陷,用砂浆将其补平。在试件底部和顶部均放置保温隔热材料挤塑板,减少与地面间进行热传递导致的热量损失,避免顶部受太阳直晒。

　　 本次试验采用JTDL-80温度与热流动态数据采集系统对T型热电偶进行温度采集,试验时每15min采集一次数据。试验前,将作为温度测点的两根热电极一端外敷焊锡焊于铜片上,保证两热电极牢固连接,使其和数据采集系统组成闭合回路。同时设置3个热电偶测量室外环境温度,对比所测温度数据并取平均值作为室外环境温度。

　　 为较全面地了解方钢管混凝土试件的截面温度场分布规律,试件T1截面共布置25个温度测点,试件T2截面共布置17个温度测点,测点布置于试件一半高度的截面位置。温度测点的布置情况如下:在方钢管混凝土四边中点的内外侧分别布置测点,试件T1将钢筋网架的半径进行三等分,部分等分点布置温度测点,试件T2将钢筋网架半径两等分,部分等分点布置温度测点。试验现场温度监测照片及试件截面测点布置见图2和图3,测点定位的钢筋网架见图4。

　　 对2个方钢管混凝土构件在2016年8月1日至8月31日进行为期一月的温度连续监测,由于气温和太阳辐射具有周期性的特点,在分析1月的截面温度变化规律后,温度监测选择典型的时间段进行温度数据分析,取8月28日至8月31日4d的数据来分析。这4d均为晴朗无云天气,室外气温变化情况相似,太阳辐射作用强。4d的最高气温分别为34.4,32.9,33.7,35.7℃,出现在14∶00左右;最低温度分别为21.1,21.4,22.3,22.5℃,出现在6∶00左右;4d的平均气温为30.45℃;4d的最大气温温差分别为13.3,11.5,11.4℃和13.2℃,平均温差为12.35℃。

　　 对2016年8月1日至8月31日每日最高温度进行处理,绘制方钢管混凝土构件最高温度变化曲线见图5。

　　 由图5可知,两个方钢管混凝土构件温度变化趋势相同。由于混凝土比热容大、热传导系数小,构件截面尺寸越大,温度变化幅度越小。在2016年8月26日,试件T1最高温度高于大气温度14.5℃,试件T2最高温度高于大气温度14.9℃。通过图表分析可知,晴朗无云的天气下构件温度变化幅度大于气温变化幅度,说明方钢管混凝土构件温度受太阳辐射影响显著。值得注意的是,2016年8月29日最高气温比8月30日最高气温低,但方钢管混凝土构件的最高温度前者较后者高。这是因为方钢管混凝土构件温度是长时间太阳辐射的结果,不仅和环境最高温度相关,也和最高温度的持续时间相关,因此,造成这种现象的可能原因是最高温度时间持续的影响。

　　 太阳辐射作用下试件截面中心和表面测点的温度变化具有不同的规律。图6,7分别给出了试件T1东西方向和南北方向的13,1,25测点和19,1,7测点温度随时间的变化曲线。图8,9分别给出了试件T2东西方向和南北方向的测点9,1,17和测点13,1,4的温度随时间的变化曲线。经过变化趋势分析和对比研究发现,各测点的温度每日均存在一个波峰和波谷,温度变化具有明显的谐波特性。对于试件T1,测点25的温度相差最大。对于试件T2,测点13的温度相差最大。

　　 从图6,8可看出,位于东西方向上试件T1的13测点和25测点、试件T2的9测点和17测点受日照作用影响很大,25测点和17测点在下午受到日照作用,13测点和9测点在上午受到日照作用,温度曲线差异性较为明显;从图7,9可看出,位于南北方向上试件T1的19测点和7测点、试件T2的13测点和4测点的温度曲线差异性很小,说明受太阳辐射的影响相对较小,与气温曲线较为接近。

　　 两个试件钢管表面的最高温度均出现在2019年8月31日。试件T1西面的测点25出现截面最高温度48.0℃,比当天最高气温为35.7℃高出12.3℃;此时处于阴面的13测点温度为38.6℃,相差9.4℃。25测点最低温度为23.8℃,25测点当月最大温差为24.2℃,比当月气温最大温差14.1℃高出10.1℃。

　　 2个试件中心点受太阳辐射与气温影响较小,温度变化曲线较平缓。试件T1中心点1测点最高温度为39.2℃,最低温度为25.4℃,相差13.8℃,略小于当月最大气温温差18.3℃;试件T2中心点1测点最高温度为43.2℃,最低温度为23.4℃,相差19.8℃,略高于当月最大气温温差18.3℃。

　　 试件T1中心点1测点的最高温度滞后于最高气温约5h;13测点和25测点的最高温度出现时间和气温基本一致;垂直于太阳升落方向的7测点和19测点的最高温度出现时间分别迟于气温2h和早于气温1h。中心点1测点最低温度滞后于最低气温约5.5h;表面7,13,25,19测点最低温度与最低气温出现时间基本一致。

　　 试件T2中心点1测点的最高温度滞后于最高气温约3h;9测点最高温度出现的时间和气温基本一致,17测点最高温度出现时间迟于气温3h;垂直于太阳升落方向的4测点和13测点的最高温度出现时间分别迟于气温2h和早于气温1h。中心点1测点最低温度滞后于最低气温约2h;表面9,4,17,13测点最低温度与最低气温出现时间基本一致。

　　 以试件T1为研究对象进行分析。图10给出了试件T1中1-23-24-25,1-20-21-22,1-17-18-19,1-5-6-7,1-14-15-16,1-11-12-13序列上各点温度随时间的变化曲线,其中1-23-24-25,1-20-21-22序列在下午时段处在向阳面,1-17-18-19,1-5-6-7序列处在与下午日照方向垂直的位置上,1-14-15-16,1-11-12-13序列下午时处在背阴面。在图10(e),(f)中,温度变化趋势随偏离中心点距离的减小而趋缓的规律应排除中心点。由于太阳辐射作用下的截面温度场为非均匀温度场,中心点的温度是截面不同方向共同作用的结果,与无太阳辐射的均匀温度场有所不同,不能作为每个序列中的一个测点进行分析。从图10(a)～(c)可以看出,截面各测点的温度变化趋势随偏离中心点的距离减小而趋缓,越靠近中心点,其温度变化曲线越趋于缓和,受气温和太阳辐射等外部环境的影响呈滞后现象越明显。从上述分析可知,对于试件T1而言,位于西面的14测点每天温差变化最大,说明截面中心点的温度受温差变化较大方向的影响显著。从图10(d)可看出,试件T1的1-5-6-7序列上中心测点的温度均高于其他测点的温度,是由于中心测点温度变化是截面不同方向温度共同作用的结果。由于钢管表面测点7处于背阴面,整天均未受到太阳辐射的作用,钢管表面测点7最高实测温度均小于所处序列上其他测点的最高温度。

　　 本节选取2016年8月30日上午6∶00时至8月31日上午6∶00时范围内试件T1在各典型时刻的截面温度场分布进行研究。图11为试件T1在典型时刻的截面等温线图,表2为典型时刻太阳照射角度,研究在特定时刻及全天不同时间的截面温度场分布规律。上午6∶00时(图11(a)),钢管表面所测温度达到最低(27.7℃),与白天相比,晚上温度波动较小,截面温度场接近均匀分布。日出之后,由于太阳辐射的作用,构件截面温度场向非均匀场变化,气温也在升高,但中心点仍处于降温过程之中,上午10∶30时(图11(b))所测的中心点温度达到最低(29.6℃),此时截面温度场在全天的非线性特征最明显,截面上几乎没有闭合的等温线。下午14∶00时(图11(c))南面19测点的温度达到最大值(41.9℃)。随着截面中心测点的温度上升,构件截面温度场出现了闭合的等温线,但截面温度场中心偏向截面北侧。随后西面日照作用开始,到15∶30时(图11(d))西面25测点的温度达到最大值(41.7℃),温度场中心从截面北侧移到了东侧。伴随气温的降低和太阳辐射作用的变弱,构件表面的温度开始下降,由于受到外界环境与构件间的热传递等传热方式的影响,靠近构件外表面的混凝土的温度随后也逐渐降低。由于热量的传递是一个过程量,试件为三维实体构件,会造成截面中心点的温度变化相对滞后,截面上其余各测点温度仍高于中心点,致使中心点继续接受其余部分的热传递,温度处于上升之中,到20∶00时(图11(e))达到最高(37.0℃),此时截面温度场为内高外低的分布情况。此后,试件T1的整体温度继续处于下降状态并趋于均匀分布(图11(f))。通过对试件T1截面温度场的分析研究可知,温度场在截面的东西方向基本为对称分布,在截面的南北方向呈明显的非对称分布;试件T1的截面温度场在一天之中处于温度均匀场和温度非均匀场的变化过程中。

　　 本文通过进行太阳辐射下矩形钢管混凝土构件截面温度场分布实测试验,研究了日照作用下构件截面的温度场分布及变化规律,得到以下结论:

　　 (1)太阳辐射作用下方钢管混凝土试件截面温度场随截面空间分布和时间变化的非线性特征显著。试件截面尺寸不同,在受到相同太阳辐射的情况下,截面的温度场变化不完全相同,方钢管混凝土试件表面的最高温度夏季在天津地区比当天最高气温约高12℃。

　　 (2)两个试件的钢管表面各测点与中心测点及气温间温度峰值出现的时间存在差异,且最高温度点与最低温度点出现的时间不同。但方钢管混凝土构件表面最高温度出现的时间与最高气温出现的时间基本一致,表面最低温度出现的时间滞后于气温最低时刻;中心点的最高温度与最低温度出现的时间均滞后于气温峰值和峰谷时刻。

　　 (3)太阳辐射作用下的方钢管混凝土构件的截面温度场为非均匀温度场,截面中心温度最低时整个截面温度场的非线性特征表现最为显著,截面中心点的温度是截面不同方向温度共同作用的结果,与无日照作用的均匀温度场有显著的区别。试验结果表明,越靠近截面中心,截面温度变化越缓和,受气温与太阳辐射影响呈滞后的现象越明显。