组合钢桥面铺装温度场研究

李利利,常明丰,牛晓博,张 洁

(1.陕西铁路工程职业技术学院 道桥工程系,陕西 渭南 714000;2.长安大学 材料科学与工程学院,陕西西安 710061)

组合钢桥面铺装温度场研究

李利利1,常明丰2,牛晓博2,张 洁2

(1.陕西铁路工程职业技术学院 道桥工程系,陕西 渭南 714000;2.长安大学 材料科学与工程学院,陕西西安 710061)

针对钢桥面直接铺筑沥青混合料铺装层存在的刚度差异而导致的沥青层开裂问题,提出一种新型的组合钢桥面铺装结构,即在桥面与沥青层间加铺一层轻质混凝土,以实现两者之间的刚度过渡。通过铺筑试验段,实际观测气温升、降对路面铺装层温度场的不同影响,给出了铺装层内温度与气温和太阳辐射之间的线性回归模型。研究结果表明:沥青层与轻质混凝土层之间存在着明显的温度梯度,轻质混凝土层内部沿深度范围的温度梯度较小;铺装层温度与气温和太阳辐射之间具有很好的相关性。该研究结果为该组合桥面铺装体系的使用以及应力分析提供了依据。

道路工程;钢桥桥面铺装;轻质混凝土;温度场;回归分析

目前,钢桥面铺装均采用柔性铺装即沥青混合料铺装结构。在钢桥面上直接铺筑沥青混合料,由于钢桥面板与沥青混合料铺装层的刚度差距较大,层间粘结性较差,导致沥青混合料铺装层容易出现裂缝,且极易从钢桥面脱落。对此,提出了一种新型的钢桥面铺装组合体系[1—2],即在钢桥面与沥青混合料铺装层之间加一层轻质混凝土。该新型的桥面铺装体系不但减轻了桥梁的自重,还提供了钢板和沥青面层的刚度过渡。与钢桥面相比,轻质混凝土与沥青面层之间具有更好的粘结性,大大改善了钢桥面铺装的受力特性。

产生桥面铺装破坏的原因有:①汽车荷载过重;②温度引起的蠕变或者开裂。通过研究铺装层厚度、铺装层模量、铺装层温度及荷载对桥梁横向最大拉应变的影响发现[3—4],铺装结构层温度的影响明显大于其他3个因素的影响。赵朝华[5]对温度作用下钢桥面铺装层进行了受力分析,认为温度荷载对常规的沥青类钢桥面铺装的影响要远远超过行车荷载的影响;周灵[6]等人对钢桥面直接铺装沥青混凝土的铺装结构进行了温度场的分析,并拟合了温度与气温和太阳辐射之间的关系式;王乾[7]等人将沥青混凝土桥面铺装与桥面板看成整体,对温度场和温度应力进行了研究。许多学者对于普通的钢桥面铺装沥青混凝土桥面结构的温度场进行了研究,但对于钢桥面板+轻质混凝土+沥青混合料的组合桥面铺装结构的温度场分析研究较少。因此,作者拟对这种组合桥面铺装结构的温度场进行研究,为其使用、养护及温度应力分析提供基本数据。

1 试验方案

1.1 模型的建立

选取实桥某一节段半幅桥宽,按1∶1制作试验段。模型桥的主要尺寸为:桥长2.5×4=10 m,桥宽3.3 m,加劲肋间距33 cm,横隔板间距2.5 m。桥面铺装层为双层结构,铺装下层为5 cm厚的浇注式轻质混合料,该轻质混凝土采用页岩陶粒轻集料、P.O 52.5水泥、粉煤灰、钢纤维、高效减水剂及水性丙烯酸树脂等原材料设计而成[8]。铺装上层为4 cm厚的SMA沥青混合料。在路面深度范围内共布设5个测点:沥青路表、沥青混合料中央、沥青混合料与轻质混凝土两者界面处、轻质混凝土中央及轻质混凝土与钢桥面两者界面处。铺装结构和温度测点布设如图1所示。

1.2 试验仪器

本次测试采用的主要仪器有温度传感器和数据采集仪。

图1 铺装结构和测点布设示意Fig.1 Pavement structure and measuring points

在施工完成的路面中,进行取芯钻孔,然后埋设温度传感器。具体做法是:在距离路表分别为9,6.5,4,2和0 cm的位置水平钻孔并放人传感器,然后用细料进行填实固定。待传感器安装完毕后,再将整个芯样放回钻孔中,并用细料填实空隙,同时对各引线进行编号。将所有引线露出路面,再沿着路表刻槽将其引至路边缘,并对路表进行适当处理,防止雨水进人并保证路表的平整,同时采用相同的温度传感器来测试实时气温。

2 测试结果分析

对气温以及铺装层温度进行24 h连续观测,从第1天17∶00观测到第2天16∶00,每隔1 h记录一次数据,各测点温度观测结果如图2,3所示,太阳辐射总量如图4所示。

图2中数据的观测起点接近黄昏,受太阳辐射影响较小,因此,铺装层各测点的温度随着气温的降低而降低,其变化较为平缓。从第1天17∶00到第2天16∶00的气温降低了3.0℃,测点1的温度降低了6.0℃,测点2的温度降低了6.8℃,测点3的温度降低了7.7℃,测点4的温度降低了8.4℃,测点5的温度降低了9.7℃,铺装层表面的温度下降幅度最大。随着铺装层深度的增加,各测点温度下降幅度越来越小。任意时间点铺装层底部温度都高于表面温度,沿铺装层深度温度梯度越来越小(测点1与测点2的曲线接近),轻质混凝土层内部温度梯度明显小于沥青混凝土层内的温度梯度。这是因为温度下降过程中,一定厚度沥青混凝土的铺装层对桥面铺装结构起到了保温作用,并且轻质混凝土面层导热系数较低,放热速度较慢,延缓了内部温度的降低,该时间段受太阳辐射的影响很小。因此,暴露在空气中的铺装层表面温度与气温最接近。

图2 第1天17∶00到第2天4∶00气温和各测点温度检测结果Fig.2 Air temperature and measuring point temperatures from 17∶00 to 4∶00

图3 5∶00到16∶00气温和各测点温度检测结果Fig.3 Air temperature and measuring point temperatures from 5∶00 to 16∶00

图4 太阳总辐射量日变化Fig.4 Diurnal variation of solar total radiation

从图3中可以看出,从6∶00开始,气温回升,太阳光开始强烈,因此铺装层温度开始上升。铺装层表面温度上升最快,8∶00左右各测点温度曲线出现了交叉,该时间点以后的铺装层温度沿深度范围下降,表层温度最高,与第1天17∶00到第2天4∶00的观测结果刚好相反。这是由于表面层的SMA沥青混合料为黑色路面,吸收太阳辐射较强,铺装层温度自上而下迅速升高,温度的上升速度明显大于温度的下降速度,逐层表现出明显的温度梯度。随着气温的继续升高和阳光照射强度的增加,各个测点间的温度梯度也逐渐明显,但同样轻质混凝土层内部温度梯度明显小于沥青混凝土层内的温度梯度,但2层之间的温度梯度较大。在11∶00左右,测点5的曲线出现了一个明显的拐点,温度有小幅度下降,这是由于在这一时刻附近天气状况变化,出现大量云彩,太阳辐射明显降低,但气温的下降相对滞后。受其影响,测点4,3,2和1出现了相同的趋势,但随着铺装层深度的增加,该拐点逐渐平缓或消失,出现这种现象的原因是表层沥青混合料的导热系数较大,温度受阳光照射的影响敏感。但是,一定厚度的沥青面层在一定程度上阻止了热量向下层的传递,且下面层轻质混凝土的导热系数较低,更加减缓了热量的传递。气温和各测点的温度在15∶00时达到最高。

综合图2,3可以看出,在升温和降温过程中,轻质混凝土与沥青面层之间都产生了较为明显的温度梯度,升温过程导致的温度梯度更加明显,其原因是2层材料导热系数的差异较大。在温度梯度的作用下,由于不同的热膨胀系数,2种面层会出现不同的膨胀量或收缩量,这将导致2种面层间变形不协调,严重时可导致上面层开裂。同理,轻质混凝土面层与钢桥面板间导热系数和热膨胀系数的差异更大,即在温度梯度作用下,会产生更为严重的不协调变形,严重时可导致轻质混凝土面层与钢桥面板间粘结失效或者轻质混凝土层开裂。

3 温度场的回归分析

由实际观测数据和文献[9]可知,气温和太阳辐射是影响铺装层温度的主要因素,各测点温度的变化趋势与气温的变化趋势一致,各测点受太阳辐射的影响比较大,越靠近路表处受到的影响越大,因此,选用SPSS统计分析软件[10],分别建立各测点温度与变量气温、太阳辐射之间的线性回归方程。

测点1:

测点2:

测点3:

测点4:

测点5:

式中:y1～y5均为各测点温度,℃;x1为太阳辐射量,0.01 MJ/m2;x2为气温,℃。

式(1)～(5)的相关性达到了0.8以上,其中测点5的相关性最高,达到了0.928。将地区的环境温度和太阳辐射量代人到公式中,就可以得到桥面铺装内部的温度。

4 结论

1)钢桥面铺装结构的温度随气温的变化而变化,受太阳辐射的影响较大,铺装层白天的温度明显高于夜晚的温度。沥青层与轻质混凝土层之间出现了明显的温度梯度,升温过程中温度梯度表现得更为突出。

2)在升温或降温过程中,轻质混凝土对温度的敏感性小于沥青混合料的,轻质混凝土层在观测时间段内产生的温度梯度要比沥青混合料层的小得多。

3)根据实测结果,建立了铺装层内各测点与变量气温、太阳辐射之间的多元线性回归方程。它们均具有较好的相关性,其中路表温度方程的相关性最高。

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Study on temperature field of composite steel bridge deck pavement

LI Li-li1,CHANG Ming-feng2,NIU Xiao-bo2,ZHANG Jie2
(1.Department of Highway and Bridge Engineering,Shaanxi Railway Institute,Weinan 714000,China; 2.School of Materials Science and Engineering,Chang’an University,Xi’an 710061,China)

A new composite pavement steel bridge deck of which a light concrete layer is paved between the bridge deck and asphalt pavement is proposed for the cracking of asphalt layer due to the stiffness difference,and the asphalt mixture pavement layer is paved on steel bridge deck directly.The influence of the variation of air temperature on temperature field of pavement layer was observed by the test section.The linear regression models of the pavement layer’s temperature between the air temperature and solar ration were given among the particles.The results indicate that there be an obvious temperature gradient between the asphalt layer and the light concrete layer,while the temperature gradient inside the light concrete layer along the depth range is smaller.The pavement temperature has a good correlation with air temperature and solar radiation. The research results provide the basis for the stress analysis of composite pavement on steel bridge deck.

road engineering;steel bridge deck pavement;light concrete;temperature field;regression analysis

U443.33

A

1674—599X(2015)04—0055—04

2015—04—06

陕西铁路工程职业技术学院2014年科研基金资助项目(2014—11);国家自然科学基金项目(51408047);大学生创新创业训练计划项目(201410710152)

李利利(1986—),女,陕西铁路工程职业技术学院助教,硕士。