浇注式沥青混凝土桥面摊铺对箱型钢桥梁温度场的影响研究

2018-07-02姚燕雅

水利与建筑工程学报 2018年3期

姚燕雅

(无锡城市职业技术学院，江苏无锡 214000)

浇注式沥青混凝土桥面摊铺时温度高达220℃～250℃，其摊铺产生的热量来不及消散的只能沿桥梁结构向下传播，形成的温度梯度直接影响桥梁结构内力的重分布，从而引起工程事故。目前，桥面结构温度场的变化已积累了部分数据[1-9]，其中，刘其伟等人通过对某座桥的实测数据进行分析和筛选，拟合出了沥青混凝土高温摊铺引起的温度梯度模式，虽然仅凭单座桥梁的实测数据拟合出来的温度梯度公式不具有通用性和普遍性，但其良好的拟合度间接证明了其利用ANSYS进行温度场研究的可行性。因此，本文通过有限元热-应力耦合计算，从梁体初始温度、浇注式沥青混凝土下料温度和风速三个因素入手，研究其对温度梯度的影响，并根据研究计算的结果简化了浇筑式沥青混凝土摊铺引起的截面温度梯度模式中各参数的选值。

1 项目概述

武汉市某城市桥梁为连续钢箱梁桥，U03联采用39.45 m+3 ×40 m的全钢箱梁结构。断面形式及尺寸见图1和图2。钢桥面铺装采用“2 mm防水粘结层+浇注式沥青混凝土(GA10)+改性沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA10)”。由于防水粘结体系厚度只有2 mm～5 mm，不考虑其储存能量作用。

2 模型建立

2.1 模型及网格划分

ANSYS中的三维热壳单元Shell 57可以施加对流面荷载，可以很好模拟薄壁钢板传热[10]，故本文采用Shell 57单元进行模型网格划分，铺装层选用solid 5单元进行模拟[11]。分析时模型纵向取10 m，横向取16 m，横隔板间距取2 m，按实际尺寸建立有限元模型，然后对其进行网格划分(对横隔板，及腹板进行加密划分)。单元划分如图3所示。分析模型由145 524个单元，80 829个节点组成。

图1 钢箱梁支点断面图

图2钢箱梁跨中断面图

图3有限元分析模型

2.2 边界条件及参数选取

在建模的过程中把箱梁内部空气作为传热介质，不单独考虑混凝土结构和空气的热交换，将二者看成是一个整体。只考虑沥青表层与大气之间的热交换和箱梁外表面与大气的热交换。由于钢箱梁整个摊铺过程的热交换过程处于自然环境中，所以对钢箱梁的摊铺温度场数值模拟采用第三类边界条件。浇注式沥青混凝土的热性能系数包括导热系数λ、混凝土比热c、混凝土重度γ，以及热辐射吸收系数，这些特性应由试验确定。本文所选用的参数值及来源如表1所示。

表1 计算模型温度场选取参数表

注：[13]表面粗糙的混凝土热辐射吸收系数取0.65，表面平滑的沥青混凝土热辐射吸收系数取0.50。

2.3 施加温度荷载

本文将太阳辐射强度、热辐射和对流三种荷载，用对流来代替施加。将综合换热系数、综合气温赋给边界上的面。对瞬态温度场的分析而言，载荷随时间变化，因此需要用到多载荷步。本模型荷载步起始时间设为1×10-5，每一个荷载步时间为180 s，即3 min间隔。由于施工设计中摊铺机的速度为3 m/min[14-15]，则一幅摊铺时间大约为1 h，则在施加温度荷载时，考虑从摊铺到摊铺结束7 h之内的温度场分布，并假定此过程中自然环境各影响参数数值保持不变。对于初始温度，大气温度取3月—4月份平均温度20℃，顶板温度为35℃，底板及腹板温度取大气温度。

3 计算结果及分析

通过计算，钢箱梁不同位置温度随时间变化曲线和计算值最不利温差及拟合曲线分别如图4和图5所示。

注：距离顶板距离2 cm，6 cm，10 cm，15 cm，30 cm，45 cm，60 cm，75 cm分别对应计算点1，计算点2，计算点3，计算点4，计算点5，计算点6，计算点7，计算点8，以下分析将按照此原则进行。

图4 钢箱梁不同位置温度随时间变化曲线

图5计算值最不利温差及其拟合曲线

仔细分析图4和图5可知：

(1) 浇注式沥青混凝土摊铺后，钢箱梁不同测点到达最高温度的时间随着距顶板高度的增加而延后，不同深度处的最高温度也显著不同。对于同一截面、同一时间、不同计算点的最大温差，随着深度的增加也在降低。由计算点1的149.7℃，降到130 cm的0.5℃，可见沥青高温摊铺的影响范围大概在深度方向130 cm之内。

(2) 在整个沥青摊铺的过程中，各计算点都要经历升温和降温两个过程，变温速率由负值转为正值。同时，各计算点的升温速率明显大于降温速率。在15 min之内，箱梁15 cm范围内平均温度由20℃，升温到135℃，平均升温速率达7.6℃/min。由此可知，在沥青摊铺的前15 min内要特别注意，以防止可能出现的较大温度应变，造成桥梁变形过大，支座掏空等问题。

(3) 各计算点的升温时间较短，而降温阶段明显要长很多。比如，各个计算点2个小时之后还在降温。深度越深，各计算点的最高温度和升温速率都有下降趋势。

4 钢箱梁摊铺温度场参数化分析和梯度模式研究

4.1 钢箱梁温度梯度模式的理论

从工程设计应用的角度来考虑，设计计算一般都以某一特定时刻最大温差分布相应的温差荷作为控制温度。我国铁道部西南研究所的刘兴法在分析众多实测资料的基础上，在国内首次提出用T(y)=T0eax来分析钢箱梁壁厚方向的温度梯度分布情况。其中：T0为最大温差值；a为梯度曲线的指数。具体各符号含义如图6所示，接下来采用上述有限元计算模型进行数值模拟分析，从梁体初始温度、浇注式沥青混凝土下料温度和风速三个因素入手，研究其对温度梯度的影响，并根据研究计算结果简化了浇筑式沥青混凝土摊铺引起的截面温度梯度模式中各参数的选值。

注：H箱梁高度；h1箱梁温度变化率较大的部分；h2温度梯度最大影响范围；T1箱梁初始温度；T2箱梁所能达到最大温度；a最大温差梯度竖向变化形式。

图6箱梁截面温度梯度一般模式图

根据现有研究显示影响最大的因素为梁体初始温度、浇注式沥青混凝土下料温度和风速。故本文分析摊铺温度场的变化因子选取以上三个变量。

4.2 梁体初始温度对钢箱梁摊铺温度场的影响

梁体初始温度不同，摊铺后的钢箱梁温度场分布情况也会相应不同。以下分析时，沥青摊铺层厚度取5 cm、沥青下料温度取220℃，风速取2.5 m/s，大气初始温度值取20℃～35℃，其他参数如表2及表3所示。

表2 热性能参数参考值

表3 大气及钢箱梁初始温度变化表

经过模型分析得摊铺后梁体最大温度和计算结果如图7、图8和表4所示。可见：随着梁体温度的上升，截面最大温差T0呈线性递减，梁体温度在顶板处对截面最大温差的影响最大；在距离顶板距离30 cm以内的温度变化速率较大；30 cm～100 cm内的温度变化速率则较为缓慢；在其他条件不变的情况下，梁体初始温度与T0的关系可以拟合为：

T0=-0.6T初+126

(1)

表4 不同梁体温度对最大温度梯度的影响汇总表

图7 不同温度时钢箱梁不同位置温度随时间变化曲线

图8不同梁体温度对最大温度梯度影响关系曲线

4.3 沥青下料温度对钢箱梁摊铺温度场的影响

为了保证摊铺的顺利进行，选择不同的摊铺材料就决定了不同的下料温度。本文在保证浇注式沥青混凝土流动性的前提下，下料温度T料取值为220℃、230℃、240℃、250℃。热性能参数条件不变。梁体初始温度取为25℃，则摊铺后梁体各温度曲线和最大梯度情况见图9和表5。

分析可得：沥青下料温度的增加会直接导致梁体各部位温度的显著增加，可见其对截面最大温度梯度影响较大，每升高10℃，截面最大温度梯度升高10℃～16℃；摊铺温度对深度影响逐渐递增，在浇注混凝土达到最大浇注温度250℃时，130 cm以下的计算点温度基本保持在梁体温度；在其他条件不变的情况下，梁体下料温度与T0的关系可以拟合为：

T0=1.27T料-158.7

(2)

4.4 风速对钢箱梁摊铺温度场的影响

风力能够促使空气的流动,加快热量的传递。同时风速会影响对流交换系数，从而影响钢箱梁的等效温度。处于自然环境中的结构物，日照作用下其表面主要发生两种热交换，一种由辐射引起，而另一种由传导和对流引起。工程中，通常把这两种热交换综合为一个总热交换系数。对流热交换系数与材料无关，它取决于吹经箱梁表面的风速、表面粗糙度、表面温度与气温的温差等因素。一般在计算时多不考虑风向、表面朝向等因素，仅根据桥址附近的风速来确定。

图9 不同下料温度时钢箱梁不同位置温度随时间变化曲线

注：a表征最大温差梯度竖向变化形式。

根据约尔格斯的经验公式当风速V为5 m/s时，对流热交换系数可按式bk=5.8+4.0V计算。至于辐射热交换系数，根据F．凯尔别克的实测，其在一天之内的平均值对于箱梁各个壁面来说都在4.0 W/(m2·℃)左右，其值变化不大。当风速在0～5 m/s变化时，辐射热交换系数基本保持不变，而对流交换系数，当风速每变化1 m/s时，大约变化4.0 W/(m2·℃)。辐射强度取为100 W/(m2·℃)。基于以上原则，取风速分别为1 m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s。对应的b为13.8 W/(m2·℃)、17.8 W/(m2·℃)、21.8 W/(m2·℃)、25.8 W/(m2·℃)。

顶板外表面等效温度由式(3)计算确定，经过计算Tz为43.6℃、42.8℃、42.3℃、41.9℃。其他热性能参数不变，浇注式沥青混凝土下料温度为220℃，环境温度取值为25℃。

(3)

计算结果如表6所示，分析可见：风速在1 m/s～5 m/s范围内，不同的风速对最大温度值影响不大；随着风速增大，温度影响深度逐渐减小，最大影响深度达到0.2 m；在距顶板距离为15 cm～30 cm以内的温度梯度变化速率较大，而在30 cm～100 cm之间的温度梯度变化速率则较为缓慢。

表6 不同风速对最大温度梯度的影响汇总表

4.5 温度梯度模式参数研究

4.5.1T0取值

沥青高温摊铺作用下梁体的温度梯度主要由摊铺前梁体的日照温差和摊铺引起的温度两个部分组成。其中，梁体的日照温差和当天的太阳辐射情况、摊铺的开始时间和空气温度直接相关；摊铺引起的温度则主要与摊铺梁体的初始温度、摊铺沥青的下料温度以及厚度有关。前者引起的温度梯度可以借鉴现有资料[16-17]取值，下面主要研究沥青高温摊铺引起的梁体温度变化。通过上述分析结果，发现风速几乎不影响，只是影响传递深度，故可忽略其对温度梯度的影响，只要线性叠加沥青下料温度和梁体初始温度的影响，将式(1)和式(2)进行叠加可得式(4)：

T0=-0.6T初+1.27T料-142

(4)

4.5.2 参数a的取值

温差曲线指数a值反映的是最大温差梯度曲线的缓和程度，主要由梁体材料的热物理参数和梁体上下温差值决定。常用的钢材和浇筑式沥青混凝土这两种材料的热传导系数比较相似。另外，参数a受摊铺引起的最大温差值幅度变化范围影响有限。故参数a的影响值主要是由下料温度决定，由表5及如图8结果显示，a为-10.5时，结果相关性为0.97。故取a=-10.5。

4.5.3 影响深度h1与h2取值

从上述计算结果来看，由于沥青摊铺是瞬间传热的原因，一般在30 cm以内的温度变化较快，受其他参数影响不大。故选取30 cm作为h1值。

相比影响深度h1，影响深度h2的影响因素就比较多了。下料温度、风速(即热交换系数)，梁体初始温度以及不同介质之间的温度差等都会影响到h2的取值。但分析上述计算结果可知，大多介于1 m～1.3 m之间，故选取1.3 m作为h2值，且不受参数变化的影响。

4.5.4 钢箱梁沥青摊铺温度梯度参数取值

温度梯度的影响因素较多，要确定其梯度模式也存在较大难度，分析时一般只要计算其最不利温度梯度即可。以上述计算结果为参考值，通过分析和参数拟合，得到了温度梯度中各参数的参考值，从而为设计阶段的验算提供基础数据。T(y)=T0eax中的参数可按如下取值：h1为30 cm，h2为1.3 m，a为-10.5，T0为T0=-0.6T初+1.27T料-142；当梁高H小于1.3 m时，h2=H，当梁高H大于1.3 m时，h2=1.3 m。

4.5.5 钢箱梁沥青摊铺温度梯度模式的理论验证

按上述温度梯度各参数的参考值拟合计算了各最大温差曲线，并将其与各计算值最大温差曲线进行对比分析，结果如图10所示。其结果充分验证了上述温度模式的可行性和合理性。

图10计算值曲线与推荐模式拟合曲线

由推荐温度梯度模式计算的最大温差值与计算值程度较好，这说明提出的温度模式较为合理，理论上可以对同类型截面形式桥梁进行推广。

5 结语

本文结合武汉市某城市桥梁，利用有限元软件对沥青混凝土摊铺形成的温度场进行了分析研究，从梁体初始温度、浇注式沥青混凝土下料温度和风速三个因素入手，研究其对温度梯度的影响，并根据研究计算结果简化了浇筑式沥青混凝土摊铺引起的截面温度梯度模式中各参数的选值，符合现有实测数据所反映的一些温度场变化规律。此结论可为研究沥青混凝土摊铺所引起的温度效应提供依据并指导实践，也有待于更多的实测数据来验证和完善其参数选取的合理性和准确性。

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