沥青铺装高温摊铺时钢箱梁温度分布

2020-02-24赵国云

科学技术与工程 2020年1期

赵国云

(1.重庆市智翔铺道技术工程有限公司，重庆 400060；2.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067)

大跨径桥梁结构在温度效应作用下会产生较大的变形、温度自应力和附加应力[1]，影响桥梁结构稳定性和耐久性。对温度变化引起的桥梁结构响应分析的前提是明确温度分布规律，确定合理的温度梯度，然而，一方面，现阶段对大跨径桥梁温度分布的研究大多集中在混凝土箱梁[2-4]，对钢箱梁温度分布的研究相对较少；二是研究成果集中在由日照和气温变化引起的温度场波动[5-7]，对沥青混合料摊铺温度引起的钢箱梁温度分布的研究则较为欠缺。

目前，浇注式沥青混凝土(GA)在中外大跨径钢桥铺装中得到广泛应用，其摊铺温度达到220～260 ℃，这样的高温必然会在钢箱梁内部引起温差分布。以某长江大桥扁平钢箱梁为研究对象，测试和分析浇注式沥青混合料高温摊铺时，钢箱梁内部温度分布规律。

1 观测断面和测点布置

测试对象是一座单跨788 m的双塔单跨悬索桥，桥面为双向四车道，全宽27.5 m；钢箱梁高3.5 m，宽30.7 m，桥面板厚16 mm，纵向U形肋间距0.6 m，横隔板间距2.7m；铺装结构为：0.2 cm厚MMA防水体系+3 cm厚GA-10+4 cm厚SMA-10。

跨中梁段长16.6 m，内设6道实体式横隔板。在该梁段上选择三个测试断面A、B和C(见图1)，分别设置10个、6个和9个温度传感器，共25个。传感器位置分为2类，一类设置于桥面顶板底面，以测试横向温度变化规律，另一类沿竖向设置于横隔板上，竖向间距为1.2 m，以测试竖向温度变化规律，各测点布置见图2，其中，浇注式沥青混合料摊铺宽度为8.5 m。

图1 跨中梁段立面图Fig.1 Vertical view of mid-span beam segment

图2 传感器布置Fig.2 Sensor arrangement

2 钢箱梁温度随时间的变化规律

2.1 桥面板底部测点温度随时间变化规律

测试日期为2013年2月，环境温度为6 ℃，微风，实测浇注式沥青混合料平均摊铺温度为232 ℃。摊铺开始后，每半分钟记录摊铺机位置，读取三个断面上传感器温度数据。各测点温度随时间的变化见图3，其中，测点按照从左到右的顺序排列。

图3 桥面板底部测点的温度-时间变化曲线Fig.3 Temperature-time change cures bottom measuring point of bridge deck

图3所示各测点的温度-时间变化曲线基本揭示了浇注式沥青混合料摊铺时温度场的横向变化规律，也反映出钢箱梁温度分布的复杂性。

(1)随着摊铺机的推进，顶板底面各测点温度逐渐达到峰值，但峰值温度并不相同，且与测点和摊铺范围的距离负相关。测点1、11和17位于摊铺中线上，温度变化幅度较大，峰值温度在环境温度的基础上分别上升约63、72、75 ℃，上升温度不同是由于钢箱梁段各部位热量消散面积不同；测点5、13、21和6、14、22与摊铺侧线的距离较近，温度变化幅度稍小；其他测点位于摊铺范围外，温度变化幅度更小，其温度出现明显变化的时间明显延缓，反映出热量沿钢板传递的过程。

(2)温度变化速率的大小和范围决定了温度应力的大小，从温度有明显变化开始，摊铺范围内各测点达到峰值温度的时间基本相同，3个断面的平均温度变化速率相接近，分别为0.77、0.89、0.83 ℃/min，但局部时段差异较大，其中B断面在50～81 min时上升至2.10 ℃/min。

(3)摊铺范围内各测点的降温速率基本相同，并在220 min之后趋于平缓，650 min以后回落至环境温度。这为开放交通提供了时间依据，钢板受热则模量降低，提前开放交通有可能会因为桥面系刚度降低而引起结构稳定性问题。

2.2 横隔板竖向测点温度随时间变化规律

对横隔板上竖向设置的传感器温度数据进行处理，绘制竖向测点温度随时间的变化曲线，如图4所示。

图4 横隔板竖向温度-时间变化曲线Fig.4 Temperature-time change cures of diaphragm vertical

由图4可见，各测点的温度-时间变化曲线和图3所示顶板底部测点具有类似规律，测点峰值温度、温度出现明显变化的时间和测点距摊铺范围的距离呈反相关关系。

3 最不利温度梯度分析

3.1 最不利横向温度梯度

3.1.1 温度横向分布特征

根据测试结果，绘制测试断面上各测点在横向的变化曲线，如图5所示。

图5 温度横向分布特征Fig.5 Transverse distribution feature of temperature

由图5可以看出，3个断面的温度分布规律基本相同：摊铺中线测点的峰值温度最高，而摊铺范围之外的测点离摊铺边界越远，温度则越低；各断面上测点的升温趋势基本相同。

3.1.2 最不利横向温度梯度

根据图5所示温度横向分布数据，以中线测点为基准，求取其他测点与中线测点的温度差，由于81 min时摊铺中线测点达到峰值温度，绘制该时刻温差沿横向的分布图，结果见图6。

图6 温差横向分布Fig.6 Transverse distribution of temperature differences

由图6可以看出，摊铺范围外的测点温度与中线测点有所差异，且各不相同，这是由于摊铺宽度较宽，各断面上边线测点与实际摊铺边线的距离不一定相同，甚至有些测点处于摊铺范围内。由图6可以推断，摊铺范围内，温度横向分布基本相同，即温度梯度为0 ℃/m；而摊铺范围两侧的影响范围约为1.2 m，温差为70 ℃左右，温度梯度为58 ℃/m。

3.2 最不利竖向温度梯度

3.2.1 温度竖向分布特征

根据测试结果，绘制A和C断面上竖向测点在不同时刻的温度分布曲线，如图7所示。

图7 温度竖向分布特征Fig.7 Vertical distribution feature of temperature

可以看出，2个断面的温度变化规律基本相同：距顶板越远，温度下降速度越快，距顶板底面1.2 m处的测点温度仅比空气温度高3 ℃左右。

3.2.2 最不利竖向温度梯度

根据图7所示温度横向分布数据，计算81 min达到温度峰值时，各测点温度与顶板底面测点的温差，见图8。

图8 温差竖向分布Fig.8 Vertical distribution of temperature differences

可以看出，在距顶板底面1.2 m范围内，温度变化最高达到67 ℃，1.2 m范围内外，温度变化幅度非常小。因此，可采用指数函数对竖向1.2 m范围内的温度梯度进行拟合[8]：

Ty=68.7×3.32-0.04y

(1)

式(1)中：Ty为计算点温度差，℃；y为计算点到桥面板底面的距离，m。

3.3 最不利纵向温度梯度

断面A和摊铺起始端的距离为13.5 m，而摊铺机的行进速度平均为1 m/min，因此摊铺机行至A断面的时间约为13.5 min。但由图3可知，断面A温度出现明显变化至达到温度峰值，时间约为81 min，说明当测点出现温度峰值时，摊铺端已远离A断面约68 m，即温度峰值出现的时间延迟于摊铺机经过该点的时间。

当某断面温度达到峰值后，随着摊铺的延续，之前的断面温度下降，而之后的断面温度上升，因此根据时-空等效原理，把图3的横坐标和摊铺速度相乘，可得到纵向温度分布规律，其中C断面(该断面温度分布最不利)见图9。

图9 纵向温度分布Fig.9 Longititanl distribution of temperature

可以看出，纵向最不利温度梯度位于摊铺机后70 m范围内的升温段，采用直线模拟时，温度梯度为10 ℃/m。

4 钢箱梁顶板底面最高温度预估

沥青混合料是钢箱梁摊铺温度场的主要热源，因此钢箱梁构件的最高温度和温度分布与沥青混合料的温度密切相关，从而可以通过测试沥青混合料的温度预估构件的温度。

曾在德国摩泽尔桥和贾格斯特桥上对浇注式沥青混合料摊铺温度和桥面板底部最高温度的关系进行了测试和分析[9]。两座钢桥的桥面板底部最高温度分别为80～116 ℃和96～140 ℃，比本文测试结果高，这是由于德国采用热矿粉制作浇注式沥青混合料，混合料摊铺温度一般为250～260 ℃，而中国采用冷矿粉，混合料摊铺温度一般为230～235 ℃。桥面板底部与浇注式沥青混合料摊铺温度之间存在着式(2)所示关系：

Tmax=f(h)(TG-TA)+TA

(2)

式(2)中：Tmax为桥面板底部最高温度，℃；h为浇注式沥青混合料摊铺厚度，m；TG为浇注式沥青混合料摊铺温度，℃；TA为气温，℃。

根据式(2)和前述测试结果，可求出浇注式沥青混合料铺装工程的f(h)，而C断面的f(h)为0.33。由气温、浇注式沥青混合料的摊铺温度和式(2)，可以很方便地预测出桥面顶板底部最高温度，并根据所述横向和竖向最不利温度梯度计算出各点温度。