混凝土箱梁桥沥青铺装竖向温度场室内研究

陈海鹏，李新生，沈菊男

（苏州科技学院土木工程学院，江苏苏州215011）



混凝土箱梁桥沥青铺装竖向温度场室内研究

陈海鹏，李新生，沈菊男

（苏州科技学院土木工程学院，江苏苏州215011）

摘要：对室内预制混凝土箱梁结构进行沥青高温摊铺模拟，研究了沥青高温对箱梁截面温差的影响分布规律。在预制小箱梁的顶板及沿截面高度方向埋入温度传感器，室内模拟4 cm厚AC-13沥青混合料高温摊铺，对所有温度测点进行了12 h的实时观测。对沥青高温摊铺引起的箱梁截面温差分布规律进行了统计和回归分析，结果表明，对腹板的影响深度约在40 cm以内；测点距顶板距离与测点达到最高温值的滞后时间成二次函数关系；测点最大温度变化值与各测点距顶板距离成对数关系。

关键词：箱梁桥；室内试验；热拌沥青混合料；温度分布

当前高等级公路、城市桥梁的桥面铺装大都采用沥青混合料铺装，而各种沥青混合料摊铺时均要求在高温条件下作业。许多桥梁主梁结构在未进行沥青摊铺之前桥梁表面技术情况良好，而在沥青摊铺之后，则在主梁腹板、顶板以及翼缘板等部位均有不同程度的新裂缝出现。在连续箱梁桥中，温度应力可以达到甚至超出混凝土的极限拉应力，所以被认为是混凝土梁桥产生裂缝的主要原因之一。根据我国《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）[1]中关于热拌沥青混合料施工温度的规定，施工时根据不同的混合料类型及其下卧层温度，沥青混合料的摊铺温度在124～165℃之间。如此高的温度必然会在桥梁结构断面内沿高度方向引起温差分布，但是温差分布如何，将对桥梁结构产生哪些不利影响，现行规范中没有任何条文规定，所以这个问题有待进一步探索。

刘其伟教授[2-4]分别对钢-混凝土组合连续箱梁、钢筋混凝土箱梁桥在沥青高温摊铺后的温度场进行了一系列的现场实测。朱俊和武建采用有限元分析程序ANSYS做了沥青摊铺试验的模拟研究[5-6]。夏慧媛及郝东东采用了ANSYS等结构分析程序模拟分析了沥青高温摊铺后的温度场[7-8]和由此产生的温度应力。丁峰等[9]也是对实桥进行研究，对摊铺后箱梁的温度应力进行分析，并且对摊铺前后箱梁的裂缝进行对比。

以上学者的研究主要是工程软件模拟分析和野外实桥现场测试。采用模型分析的方法对影响试验结果的诸多因素考虑不周全，得出的模拟试验数据比较理想化，其数据可靠性有待进一步深入研究，而采用野外实桥现场测试的方法不仅测试现场影响因素过多，很难进行试验变量的准确控制，又由于室外进行工作，将消耗大量人力物力财力，进行试验困难较大。文中针对以上问题采用预制混凝土箱梁在室内模拟沥青高温摊铺，通过事先预埋的温度测点，结合了以上两种试验方法的优点，对沥青摊铺试验进行研究。

1　试验方案、材料及设备要求

1.1试验方案

根据现行标准预制小箱梁的尺寸，按照1∶2断面进行室内模型预制，预制长度2 m，如图1所示。预制箱梁混凝土采用C30，根据计算按构造要求配置相应的主筋、箍筋，其中主筋采用HRB335钢筋，箍筋采用R235钢筋。

在箱梁顶板（见图1）布置15个温度测点，两侧腹板中间各布置11个温度测点，底板中间布置3个温度测点。图2为本试验温度测点埋设效果图。

箱梁混凝土养护28 d之后，预先用4个40升保温桶盛满拌和好的高温AC-13沥青混合料。混合料出场温度165℃，运送至试验场地用时30 min，降温8～10℃，摊铺温度控制在155℃。混合料到场后迅速人工碾压，松铺系数经预先试验确定约为1．1，碾压时间约5 min，碾压后厚度按4 cm控制。

摊铺碾压前对箱梁所有测点进行初始温度测读，碾压5 min后，至2 h以内每隔5 min采集一次读数；在2～4 h内每隔10 min采集一次；在4～6 h内每隔20 min采集一次；在6～12 h内每隔30 min采集一次。

由于测点数量多，温度变化数据采集尽量要求快速、同步，因此根据现场条件及数据采集器的数量，安排15位同学同时进行数据采集与记录，其中1个为总指挥，7个读数，7个记录。

1.2试验材料及设备要求

（1）箱梁内温度测点：采用兴化市繁荣电热仪表厂生产的JDC-2型温度传感器，测量温度范围为-30～130℃，测试精度为±0．5℃；该温度采集采用其配套的读数仪。

图1　温度测点布置图

图2　温度测点埋设效果图

（2）沥青混合料及环境温度：采用长30 cm左右水银温度计，测量温度范围为0～100℃，温度测试精度为±0．5℃。

1.3试验过程简介

本课题试验时间为2015年5月8日，天气晴、多云，气温17～25℃。上午9:00于苏州三创路面工程有限公司拌和楼装料，9:40运料至试验场地，9:45进行温度测点初始读数采集，9:50开始摊铺。混合料摊铺时8人同时将其倾倒至箱梁顶板，尽可能减小受热不均现象，摊铺过程中未发现离析现象产生。为方便后期沥青混合料铲除，试验前在箱梁顶面铺撒厚约1 mm矿粉。

9:55第1次读数，11:55之前每隔5 min测读1次，11:55～13:55之间每隔10 min测读1次，13:55～15:55之间每隔20 min测读1次，15:55～21:55之间每隔30 min测读1次，本试验过程持续约12 h。

2　试验结果分析

2.1腹板处各测点沿高度方向温度变化

文献[2]认为沥青上面层摊铺时下面层沥青有明显的隔热作用，下面层沥青摊铺对箱梁结构温度变化效应的作用明显，因此重点研究观测了下面层沥青摊铺对箱梁结构温度效应的影响。文献[10]研究结构认为顶板在调平层达到最高温时最不利，底板、腹板的最不利时间比调平层达到最高温约滞后30 min左右，且梁体在摊铺后2 h内为不利时间段。本次试验共测量了沥青混合料摊铺后12 h内箱梁结构的温度变化情况，根据实测数据再加之分析[2，10]，这里仅列出沥青混合料摊铺后4 h内不同时刻箱梁腹板沿高度方向的温度变化曲线，如图3所示。根据图3数据及各曲线分析可得到以下结论：

（1）箱梁结构在摊铺沥青混合料后，箱梁各部分温度变化作用明显，沿高度方向各测点的温度变化各异。顶板顶面温度变化值最大，最大温差约37℃，底板温度变化很小，实测只有1．5℃左右。

（2）顶板顶面在35 min之内温度变化到最大值37℃，平均变化为1．06℃/min。顶板底面在125 min之内温度变化到最大值21．9℃，平均变化为0．18℃/min。箱梁中性轴位置处在335 min之内温度变化到最大值8．5℃，平均变化为0．03℃/min。离顶板距离越远，温度变化到最高值所需时间越长。

（3）距箱梁顶板顶面40 cm以内的测点在沥青摊铺之后温度变化明显，而40 cm以外的测点温度变化较小。表明本试验中沥青高温摊铺对箱梁结构的影响深度为40 cm。

2.2顶板中间测点温度变化

由上图3数据分析得知，顶板在混合料摊铺后75 min左右所有测点均已达到最高温，因此下文只列举了顶板中间测点在沥青摊铺后20～125 min内主要时刻的温度变化曲线，可得出沿顶板截面高度方向温度测点达到最高温所用时间随其距顶板距离增大而增加，其所能达到的最高温度值随其距顶板的距离增大而减小。另可见测点温度变化速率随其距顶板距离的增加而减小。其变化规律如图4所示。从图4数据可以得出以下三点结论：

（1）混凝土箱梁摊铺高温沥青混合料后，顶板中间截面顶板测点最大温度变化值大约为42℃，大于图3结论。这是由于沥青混合料摊铺后顶板两侧热量将往中间传递，使得中间测点温度高于两侧测点的温度。

（2）顶板中间截面顶板测点大约在摊铺后40 min后温度值达到最大，此结论比图3稍大。由于该测点温度变化值比图3温度变化值大，温度上升所需时间大于图3所需时间。

（3）箱梁顶板中间测点在沥青混合料摊铺后95 min时间内温度都已经达到最大值。

2.3翼缘测点温度变化

翼板测点温度在混合料摊铺后85 min均已达到最大温度变化值，因此图5列出了20～105 min内主要时刻的温度变化曲线。其变化规律与图4相似，此处不再赘述。其变化规律见图5所示，分析图5可得以下两点结论：

（1）混凝土箱梁摊铺沥青混合料后，翼板截面顶板测点温度变化值最大约40℃，略低于图4结论，这是由于翼缘处沥青混合料与空气的对流面积明显大于顶板中间处沥青混合料与空气的对流面积。

（2）翼缘截面顶板测点大约在摊铺后40 min测点温度值达到最大，次结论与图4相同；全部测点大约在混合料摊铺后85 min内温度值均已达到最大，此结论只比图4早10 min。以上结论与图4较吻合，说明顶板中间截面与翼缘截面温度变化基本同步。

图3　腹板处测点沿高度方向温度变化

图4　顶板中间温度变化曲线图

图5　翼缘测点温度变化曲线

2.4底板测点温度变化

底板测点温度在混合料摊铺后约285 min达到最大温度变化值，图6列出了底板温度测点在摊铺后70～300 min内主要时刻温度变化值。其结果显示底板测点在高温沥青混合料摊铺后温度变化很小，最大温度变化值出现在沥青混合料摊铺后300 min，达到2．5℃。其值相对于顶板、翼板等部位的温度变化值而言可忽略不计。底板测点温度变化规律见图6所示。

2.5腹板沿高度方向各测点达到最大温度值的时间

测点达到最大温度值所花时间图随其距顶板距离增加而增加，据观测数据得顶板滞后时间为35 min，底板滞后时间为400 min，见图7所示。分析图7数据可得以下两点结论：

（1）据图7中公式计算顶板与底板测点达到最高温值的滞后时间分别大约为35、400 min，此结论与图3实测结果所得结论吻合均较好。

（2）由于混凝土材料的导热系数很小，箱梁混凝土顶面摊铺高温沥青后其热量较难往下面层混凝土传递，导致与顶板距离越大的测点达到最高温度值的滞后时间越长。

2.6腹板沿高度方向各测点的温度变化最大值与其距顶板距离关系

图6　底板测点温度变化曲线

图7　测点最高温度的滞后时间

图8　测点最大温度变化与测点距顶板距离

顶板最大温度变化值大约为36℃，底板大约为2℃，与实测结果非常吻合。图8所示测点最大温度变化值随其距顶板距离增加而减小，且距顶板距离越大温度变化值变化越缓慢。分析图8可得以下三点结论：

（1）当x分别取1 cm与60 cm时，T分别为36℃与2℃，此结论与图3所得实测结果吻合非常好。

（2）距箱梁顶面40 cm以内测点最大温度变化较大，在40 cm以上测点温度变化很小，说明该试验对箱梁混凝土的影响范围在距顶板40 cm以内。

（3）由于箱梁混凝土导热系数很小，箱梁混凝土顶面摊铺高温沥青后其热量较难往下面层混凝土传递，导致测点所能达到的最高温度变化值随着其至顶板的距离急剧减小。

3　结论

（1）试验中沥青高温摊铺对箱梁的影响深度为40 cm。顶板温度在短短35 min之内温度变化37℃，平均变化1.06℃/min；如此快的升温速度在设计施工中是不可忽视的。

（2）试验中沥青高温摊铺对箱梁结构的影响深度为40 cm。

（3）底板温度变化值相对于顶板、翼板等部位的温度变化值而言较小，可忽略不计。

（4）测点距顶板距离与测点达到最高温值的滞后时间成二次函数关系，即t=-0.1561x2+15.279x+33.299，决定系数R2=0.975 7；说明箱梁不同高度测点达到最高温度是呈二次函数递减的。

（5）测点最大温度变化值（测点达到的最高温减去初始温度值）与各测点距顶板距离成对数关系，即T=-8.338lnx+36.315，决定系数R2=0.991 4。

参考文献：

[1]交通部公路科学研究所.JTG F40-2004公路沥青路面施工技术规范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[2]刘其伟，邓祖华，肖飞.钢筋混凝土箱梁桥沥青摊铺温度梯度模式的研究[J].公路工程，2011，4（36）：45-54.

[3]刘其伟，丁峰，朱俊，等.钢-混凝土组合箱梁沥青摊铺温度场试验[J].东南大学学报（自然科学版），2006，1（36）：572-575.

[4]刘其伟，朱俊，唐蓓华，等.沥青高温摊铺时钢筋混凝土箱梁的温度分布试验[J].中国公路学报，2007，4（20）：96-100.

[5]朱俊.钢筋混凝土连续箱梁桥日照温度场及沥青摊铺温度场研究[D].南京：东南大学，2005.

[6]武建.钢筋混凝土连续箱梁桥沥青摊铺温度应力研究[D].南京：东南大学，2008.

[7]夏慧媛.混凝土箱型梁桥桥面铺装温度效应研究[D].西安：西安建筑科技大学，2011.

[8]郝东东.钢筋混凝土箱梁沥青摊铺时温度场及温度应力的研究[D].西安：长安大学，2012.

[9]丁峰，章荣福.沥青高温摊铺对钢筋混凝土箱梁的影响[J].山西建筑，2009，8（35）：308-310.

[10]鲁正兰，杨春兰，董瑞琨，等.沥青路面摊铺时温度场的时空分布[J].重庆建筑大学学报，2004，26（6）：49-52.

通信联系人：沈菊男（1963-），男，江苏苏州人，教授，博士，从事沥青路面及材料的教学和研究；shenjunan@hotmail．com。

（责任编辑：秦中悦）

Laboratory study on vertical temperature distribution of bridge caused by HMA during paving

CHEN Haipeng, LI Xinsheng, SHEN Junan
（School of Civil Engineering, SUST, Suzhou 215011, China）

Abstract：Vertical temperature distribution on reinforced concrete box girder ridge caused by HMA during paving was investigated.Temperature sensors were embedded in the reinforced concrete box girder along the height of the girder to measure the grade of the temperature along the depth of the girder.Temperatures of the sensors along the depth were monitored for 12 hours all the real-time sooner after HMA of AC-13 with a 4 cm thickness of AC-13 was paved.Research results showed that: the influencing depth of temperatures on the box girder is 40 cm; the time the highest temperature raised is a quadratic function of the depth of the girder; a logarithmic relationship was found for the highest temperature change and its distance to the deck.

Key words：bridge deck; laboratory study; HMA; temperature distribution

中图分类号：U443．33

文献标识码：A

文章编号：1672-0679（2016）01-0034-04

[收稿日期]2015－08-15

[作者简介]陈海鹏（1990-），男，浙江金华人，硕士研究生。