高温季节钢桁梁悬索桥钢桥面铺装层温度场试验研究

焦永宝，郭加付，乔 钢，陈 钒，杨川琦，曾 勇*

1中电建路桥集团有限公司，北京 100048 2西南交通大学 土木工程学院，成都 610031

0 引言

钢桁梁悬索桥具有跨越能力强、承载能力强、刚度较大和桥位要求简单等特点,逐渐成为了跨越山区V形山谷的主选方案之一[1-2].用于钢桥面板铺装材料的沥青混合料是一种典型的温度敏感性材料，铺装层的温度会随外界环境的变化而变化，使用性能亦随其温度的变化而变化[3].在高温季节下,若桥面系温度过高,且无法及时释放,将会产生较大的温度荷载,对铺装层和钢桥面板的路用性能和使用寿命容易造成不良影响[4].此外,钢桥面结构环境场的研究是桥梁结构研究的一个重要部分,其中温度场是钢桥面结构环境场最为重要的因素之一.因此,对钢桁梁悬索桥桥面铺装层温度场的研究显得尤为重要.

纵观国内外学者关于铺装温度场的研究,学者们对道路、钢箱梁桥以及水泥混凝土桥等的铺装层温度场研究颇多.康海贵等[5]人利用温度实测数据对沥青路面的温度场分布规律进行了回归分析,并给出了相应的预估模型;英国学者Jones[6]采用一维模型对钢箱梁桥面板温度场进行了计算;沈聪等[7]人使用Abaqus有限元软件建立了某钢桥面铺装层及钢箱梁的简化模型,并进行了数值求解;游庆龙等[8]人利用温度实测数据对水泥混凝土桥面铺装层温度场分布规律进行了研究,得出了桥面铺装层温度场与大气温度和铺装层厚度之间的关系.

然而,相关学者对于高温季节条件下钢桁梁悬索桥钢桥面铺装层温度场的研究较少,对于其铺装温度场分布规律尚不明确.因此,本文依托笋溪河特大桥工程,针对高温季节下钢桁梁悬索桥钢桥面铺装层温度场分布特征进行试验研究,摸清其温度场分布特征,建立高温条件下大气温度和铺装层温度的联系,为同类钢桥面铺装层温度场相关研究提供参考依据.

1 工程概况

笋溪河特大桥是重庆江津至贵州习水高速公路的控制性工程,桥长1 578 m,主线全线采用双向四车道高速公路标准,桥面全宽24.5 m,左右幅分离.该桥主缆跨径布置为215 m + 660 m + 268 m,矢跨比为1/10,桥面系为正交异性钢桥面系,结构体系为地锚式单跨钢桁架加劲梁悬索桥.主桥钢桥面行车道的铺装层总厚度为75 mm(不含防水层),铺装层结构组合为35 mm的下面层浇筑式沥青混凝土GA-10和40 mm的上面层高弹改性沥青SMA-10,防水粘结层采用甲基丙烯酸树脂.

2 试验方案

2.1 测点布置及传感器安装

由于现场条件的限制,选取笋溪河特大桥左幅桥面距习水方向200 m左右的位置作为铺装层温度场测试试验工点.在铺装层中埋入智能温度传感器实时测量铺装各层温度,并利用无线自动化综合测试系统对温度场数据进行长期不间断地采集、传输和存储.

温度传感器为智能温度传感器,量程为-20 ℃ ～ 260 ℃,精度为 ± 0.5 ℃,铺装层内温度传感器的安装位置如图1所示.第一组温度传感器安装在下面层浇筑式沥青混凝土GA层内,第二组温度传感器安装在上面层SMA层内,通过温度传感器探头测定铺装层内不同深度处的温度.

图1 温度传感器埋设位置横断面图Fig.1 Temperature sensors embedded position cross-sectional view

温度传感器埋设采用的是先埋法,边施工边埋设[9].施工现场环境复杂,容易影响到传感器的存活率,因此,温度传感器安装到位后,一定要做好充分的防护措施,防止铺装施工时对传感器造成损坏.同时,考虑到桥面铺装层直接承受汽车等外部荷载作用,也会对温度传感器造成影响,为了保证温度传感器的存活率以及温度实测数据的精确性,对温度传感器采取了冗余布置[10],并且还在适当的位置安装了专门用于测量大气温度的温度传感器.两组温度传感器布置现场照片如图2所示.

(a) 第一组温度传感器(a) The first set of temperature sensors

(b) 第二组温度传感器(b) The second set of temperature sensors

2.2 观测时间及内容

为了观测高温季节下笋溪河特大桥钢桥面铺装层内各层温度,得到铺装层温度场分布规律以及最高气温与铺装层内各层最大温度之间的相关性关系,选取温度较高的7月份和8月份对高温季节温度场进行连续观测.实测的温度数据主要包括GA铺装下层各测点温度、SMA铺装上层各测点温度以及大气实时温度.

3 温度场观测结果分析

3.1 铺装层内温度场分布规律

通过对7月份和8月份的大气温度观测结果进行分析,发生温度较高日期主要集中在8月份.最后选取8月份较为典型的3 d温度观测数据进行研究.这3 d的最高气温分别为34.4 ℃,36.9 ℃,36.9 ℃.

通过温度观测数据分析,得到了夏季高温天气条件下钢桁梁悬索桥钢桥面铺装层内各层温度变化与大气温度变化之间的关系如图3所示.

根据温度曲线图(见图3)可知,一般情况下,铺装层内各层温度变化规律与大气温度变化规律基本一致,呈周期性变化;同一天内,铺装层内温度先逐渐减小,再逐渐增大,然后再逐渐减小,升温时间明显短于降温时间;铺装层内不同深度出现最高温度的滞后现象不明显,几乎同时达到最高温度,但较于大气最高温度的出现滞后了1 h～3 h;同一天内,GA层内最大温差最大,SMA层内最大温差次之,大气最大温差最小,说明GA层内温度变化幅度较大,波动性较强;钢桥面铺装层内的最大温度作用位置产生在铺装下层GA层内.

(a) 典型曲线1(a) Typical curve 1

(b) 典型曲线2(b) Typical curve 2

(c) 典型曲线3(c) Typical curve 3

3.2 最高气温与铺装层内各层最高温度相关性分析

采用数理统计方法分析最高气温与铺装层内各层最高温度的相关性.根据实测的路面温度数据,结合气象资料,通过回归分析建立最高气温与铺装层温度之间的关联公式.

通过对大气温度与铺装层内各层温度在7,8月的连续实测,从中选取天气晴朗且大气温度较高日期的温度观测数据作为分析对象,共计15 d.利用SPSS统计分析软件对采集到的日最高气温ta与SMA层内日最大温度tS,GA层内日最大温度tG分别进行拟合回归分析[11],结果如图4,图5所示.

图4 最高气温ta与SMA层内最大温度tS关联图Fig.4 Correlation diagram of the highest air temperature taand the maximum temperature tS in SAM layer

图5 最高气温ta与GA层内最大温度tG关联图Fig.5 Correlation diagram of the highest air temperature taand the maximum temperature tG in GA layer

由图4可知,SMA层内最大温度与最高气温之间具有良好的相关性,相关系数R2=0.953,呈正相关,关联计算式为:tS=-105.2+7.04ta-0.08ta2.

由图5可知,GA层内最大温度与最高气温之间具有良好的相关性,相关系数R2=0.929,呈正相关,关联计算式为:tG=-117.6+7.84ta-0.09ta2.

通过上述2个关联式,用当日最高气温来预测钢桁梁悬索桥钢桥面铺装层内各层最大温度,为桥面铺装设计提供参考依据.

4 结论

本文对高温季节下钢桁梁悬索桥钢桥面铺装层内的温度进行了现场测试,并对其温度场、各铺装层内最大温度和最高气温的相关性进行了研究分析,得出以下结论：

(1) 钢桥面板铺装层内各层温度变化趋势与大气温度变化趋势基本保持一致,呈周期性变化,说明大气温度变化对铺装层内温度有较大影响.

(2) 铺装层内各层温度几乎同时达到最大值,滞后现象不明显,但较于大气最高温度的出现时间滞后1 h～3 h.

(3) 铺装层内最大温度出现于下面层GA层内,说明GA层吸收热量较多,温度较高,而钢桥面板下部由于通风散热条件较好,温度不高,因而GA层与钢桥面板会形成较大温差,容易产生较大的温度应力.因此,需严格加强GA层和钢桥面板界面粘结,以免对铺装层和钢桥面板的使用性能和服役寿命造成不良影响.

(4) 钢桥面铺装层内各层最大温度与最高气温之间具有良好的相关性,可通过大气最高温度来预测钢桥面铺装层内各层的最高温度.