高温铺装施工过程中钢桥面板应力分析*

王 昊 吉伯海 高玉强 陈 欣 王秋东

(河海大学土木与交通学院 南京 210098)

0 引 言

正交异性钢桥面板因其重量轻、强度高、抗扭刚度大等优点，在国内外桥梁中得到了广泛应用[1].沥青混凝土铺装层作为钢桥面板上的薄层结构普遍采用高温摊铺，由于钢材导热性能好且钢桥面板各向异性[2]，摊铺高温作用下钢桥面板迅速升温并发生温度变形，对钢桥面板结构造成影响，同时焊缝位置受力复杂并存在大量的残余应力[3]，温度应力对焊缝的正常使用性能产生影响.

国内外学者基于温度实测数据分析了钢桥面板构造细节的温度应力[4]，同时采用数值模拟和建立功能函数的方式对环境温度荷载作用下的结构受力进行了研究[5-6].结果表明温度-车载耦合作用影响了钢桥面板的受力特征而单一温度荷载作用对结构的影响较小.此外，考虑焊接施工过程，采用数值模拟的方式研究了高温焊接后钢桥面板焊接残余应力的分布特征[7]并通过盲孔法、切条法对残余应力值进行测试[8-9].研究结果表明:焊接残余应力分布在焊缝及焊缝周边钢板上，接近钢材的屈服强度.目前就沥青混凝土摊铺高温对钢桥面板影响效应的研究主要集中在高温浇注环境下铺装层的温度变化及钢桥面变形引起的铺装层厚度差异方面[10]，同时从宏观的角度分析了钢桥面板的整体应力趋势，而对构造细节的温度应力分布及焊缝处的应力特征分析较少.

本文通过建立钢桥面板温度场有限元模型，考虑摊铺施工过程，对钢桥面板的温度分布规律进行了数值模拟，并将温度场边界条件作用在钢桥面板力学模型上，分析了温度荷载作用下钢桥面板的变形和受力特征，同时就构造细节的应力分布对温度场的影响进行了研究.

1 考虑施工过程的钢桥面板温度场分析

1.1 有限元模型

利用ABAQUS建立一段钢桥面板行车道节段模型(见图1a))，模型横桥向宽14 m，包含22道U肋、4道板肋和9道纵梁，纵桥向长8 m，包含4道横隔板，靠近横桥向边缘设置1道铺装层，宽4 m，纵桥向两端布设两道拉压支座，支座尺寸为600 mm×600 mm.钢桥面板各构造尺寸根据国内某大跨径桥梁选取，见表1.

表1 钢桥面板构造尺寸

假设钢桥面板与铺装层固接，不考虑顶板与铺装层之间的黏结滑移作用，模型各部件之间采用Merge的方式进行共节点及自由度耦合连接，约束一侧支座的竖向平动自由度和另一侧支座的竖向平动自由度及横向平动自由度.钢桥面板材料属性参照Q345qD桥梁用钢：弹性模量为2.06×105 MPa，泊松比为0.3，考虑到高温摊铺过程中铺装层尚未冷却，铺装层的弹性模量为100 MPa，泊松比为0.3.所有结构与大气接触位置均设置辐射换热面，材料热力学参数和温度场边界条件参数[11-13]取值见表2.

表2 热力学参数和温度边界条件

模型整体使用八节点DC3D8实体单元，为更好地确定摊铺区温度变化，对铺装层和铺装层附近的钢桥面板进行网格加密(见图1b))，网格加密尺寸为20 mm，同时考虑到节段模型尺寸较大，网格数量较多可能影响模型计算速度，全局网格尺寸为200 mm.浇筑式沥青混凝土初始温度为230 ℃，钢桥面板初始温度为35 ℃，采用生死单元法模拟施工过程，考虑到摊铺速度为1 m/min，将节段模型纵桥向划分八块摊铺区域，每块铺装层长1 m，即划分10个分析步，第1步为未摊铺阶段，时长0.5 s;第2～9步为摊铺阶段，每一步时长60 s;第10步为温度传递阶段，结束时间为7 200 s.

图1 钢桥面板有限元模型

1.2 钢桥面板温度测点布置

考虑高温沥青摊铺施工过程时钢桥面板的温度场云图见图2.由图2可知，先铺装部位对后铺装部位有温度影响，摊铺先后带来的温度差异持续到计算结束.横向温度变化范围为靠近摊铺边缘摊铺区域1 m及未摊铺区域0.6 m的范围，不同截面处横向温度分布有所差异，横隔板位置温度横向影响范围较小且温度较低，钢桥面板竖向温度呈递减趋势，随着时间的推移，钢桥面板温度最终与外界温度一致，顶板和横隔板温度沿横隔板竖向向下传递，影响范围逐渐增大.

图2 钢桥面板温度场云图

根据总体的温度云图，将温度分布的研究点分为以下几个部分：首先是摊铺区域及摊铺边缘区域钢桥面板的横向温度分布，其次是横隔板和两道横隔板之间的纵向温度差异，此外需要对钢桥面板的竖向温度分布及构造细节的温度时称进行分析.布设钢桥面板温度测点见图3，在摊铺边缘1.7 m的范围内钢桥面板顶板布设一道横向温度测点，温度监测范围内布设三道纵向温度测点，在横隔板布设一道竖向温度测点同时在横隔板-U肋焊缝上布设三个温度测点，在弧形缺口弧形路径上布设四个温度测点.

图3 钢桥面板温度测点

1.3 横向测点温度分布

提取摊铺施工开始后不同时间节点钢桥面板横向温度监测路径上的温度，见图4.由图4可知，各时间节点钢桥面板横桥向温度变化趋势基本一致，40 min温度达到最大值，摊铺区域钢桥面板最大温度为87 ℃，摊铺边缘钢桥面板温度接近55 ℃.摊铺边缘0.4 m范围内温度变化明显，最大温差接近60 ℃，摊铺区域由于温度沿U肋竖向传递出现波浪形温差，且局部温差为3～5 ℃.

图4 钢桥面板横向温度分布图

1.4 纵向测点温度分布

由钢桥面板横向温度分布可知，摊铺施工开始后40 min左右钢桥面板顶板温度达到最大值，提取40 min时钢桥面板纵向温度监测路径上的温度，见图5.由图5可知，各温度监测路径的纵向温度变化趋势基本一致，摊铺区域温度最高，以横隔板为中心纵向0.6 m范围内出现温度差，且摊铺边缘温差最大接近10 ℃，摊铺区域以及未摊铺区域温差不超过5 ℃.钢桥面板纵向其余位置温度基本相同，纵向温度分布较为稳定.

图5 40 min时钢桥面板纵向温度分布图

1.5 竖向测点温度分布

提取摊铺施工开始后摊铺区域竖向各测点的温度，温度时程曲线见图6.由图6可知，各时间节点钢桥面板横桥向温度变化趋势基本一致，温度先迅速增大，40 min左右顶板上下缘温度达到最大值，距离顶板越远，达到最大温度的时间越长，距离顶板300 mm位置在60 min时温度达到最大值，最大温度接近45 ℃，随后温度逐渐减小最终趋于一致.顶板上下缘温度大小和温度变化趋势基本相同，且最大温度达到75 ℃.同时靠近顶板位置温度变化明显，等距离温差较大.

图6 钢桥面板竖向测点温度时程曲线

1.6 构造细节温度分布

提取构造细节各测点的温度，温度时程曲线见图7.由图7a)可知，横隔板-U肋焊缝上下缘温度变化趋势基本一致，靠近顶板位置温度较大且先达到最大温度，最大温差约为30 ℃，但在温度变化过程中焊缝温差最大值接近35 ℃，局部温差较大可能影响焊缝的正常使用.由图7b)可知，弧形缺口路径上各温度测点温度时程曲线基本一致，由于弧形缺口各点竖向距离差较小，弧形缺口温差不超过10 ℃，对弧形缺口的使用性能影响较小.可以判断构造细节的竖向温差主要取决于细节不同位置的竖向距离差.

图7 钢桥面板构造细节温度时程曲线

2 钢桥面板温度变形分析

将考虑铺装层下面层施工过程时得到的温度场边界条件施加在钢桥面板力学模型上，修改模型单元类型为C3D8R实体单元，约束力学边界条件，得到钢桥面板在温度荷载作用下的整体变形云图见图8.由图8可知，摊铺区域钢桥面板变形较大，由于两端支座约束了竖向的自由度和一侧的横向自由度，变形主要呈现为竖向上拱以及横向和纵向向外侧膨胀的变形，竖向变形占主导地位，同时U肋两侧变形存在差异，使得U肋在温度荷载作用下处于扭转的状态.

图8 钢桥面板整体变形云图

提取钢桥面板横向截面和纵向截面在40 min的竖向变形量见图9.由图9可知，摊铺区域中心位置竖向变形量最大，最大上拱高度为5.8 mm，同时越接近摊铺中心区域竖向变形量越大.纵隔板构造对竖向变形有一定的限制作用，但仅发生在小变形阶段，随着变形的增大，纵隔板的限制作用逐渐消失.

图9 钢桥面板构竖向变形量

提取摊铺区域U肋左右两侧横隔板-U肋焊缝末端在40 min的变形量及竖向变形量最大点的变形时程见图10.由图10a)可知，40 min时横隔板-U肋焊缝末端最大竖向变形量接近5.2 mm，且由于U肋左右侧与摊铺中心的距离不同，U肋左侧变形量小于右侧变形量，靠近摊铺边缘的U肋左右两侧竖向变形差最大，达到0.32 mm.由图10b)可知，在温度荷载作用过程中，U肋左右两侧横隔板-U肋焊缝的变形差异始终呈现左侧小于右侧的形式，且变形差先增大后减小，在变形量达到最大值时变形差最大，最大变形差为0.35 mm.

图10 U肋左右两侧横隔板-U肋焊缝末端竖向变形

3 钢桥面板温度应力分析

3.1 正应力分析

提取摊铺施工开始后40 min时钢桥面板的应力云图见图11.由图11a)可知，温度荷载作用下，摊铺区域横隔板位置横向应力最大同时弧形缺口左右两侧存在较大的横向应力差.由图11b)可知，摊铺区域U肋以及板肋左右两侧弧形缺口位置竖向应力较大且应力方向相反，同时横隔板-U肋焊缝处竖向应力变化明显.由图11c)可知，靠近摊铺边界位置顶板纵向应力较大，同时以摊铺边界为分割线，存在较大的应力突变.

图11 40 min时钢桥面板应力云图

提取40 min时横隔板的横向正应力，见图12.由图12可知，远离摊铺边界位置应力较小且大部分为压应力，最大压应力约10 MPa，靠近摊铺边界应力逐渐增大，距摊铺边界约1.5 m时出现拉应力，摊铺边界附近应力变化较为明显，靠近摊铺中心区域拉应力达到最大，最大拉应力为81 MPa，随后拉应力迅速较小.纵隔板、加劲肋附近出现应力拐点，但纵隔板和加劲肋对横隔板横向应力整体走向影响很小.

图12 横隔板横向正应力

提取40 min时纵肋左右两侧弧形缺口应力最大点的横向正应力和竖向正应力，见图13.由图13a)可知，加劲肋左侧弧形缺口横向正应力先呈现为逐渐增大的拉应力，最大拉应力为27 MPa，摊铺边界附近拉应力逐渐减小为压应力，最大压应力为-32 MPa.加劲肋右侧弧形缺口横向正应力先呈现为逐渐增大的压应力，最大压应力为-44 MPa，摊铺边界附近压应力逐渐减小为拉应力，最大拉应力为141 MPa.由图13b)可知，纵肋左右两侧竖向正应力基本呈现对称形式，且发展趋势与横向应力相同，最大拉应力为148 MPa，最大压应力为-166 MPa.摊铺区域纵肋左右两侧横向和竖向应力方向相反，应力差值最大超过310 MPa，考虑到两个方向正应力的相互作用，纵肋处于扭转状态.

图13 纵肋两侧弧形缺口横向和竖向正应力

提取40 min时横隔板-U肋焊缝上的竖向正应力和纵向正应力，见图14.由图14a)可知，横隔板-U肋焊缝竖向应力关于焊缝中心反对称，靠近顶板位置呈现压应力的形式，靠近弧形缺口位置为拉应力，最大应力差值为98 MPa.由图14b)可知，纵向应力关于焊缝中心反对称，上侧受压下侧受拉，最大应力差为97 MPa.考虑到焊缝位置存在大量的残余应力且构造复杂，局部应力差可能影响焊缝的正常使用性能.

图14 横隔板-U肋焊缝竖向和纵向正应力

提取40 min时摊铺中心区域横截面的纵向正应力，见图15.由图15可知，未摊铺区域钢桥面板横截面纵向应力从零逐渐增大，呈拉应力的形式，距离摊铺边缘约300 mm拉应力达到最大值，最大拉应力为40 MPa，而后应力迅速减小，摊铺边缘约800 mm出现接近110 MPa的应力差，摊铺区域应力基本呈现压应力的形式，距离摊铺边缘约600 mm压应力达到最大值，最大压应力为68 MPa，随后压应力逐渐减小.

图15 顶板横截面纵向正应力

3.2 剪应力分析

考虑到桥梁构造为密肋型钢桥面板，温度荷载作用下顶板位置出现较大的剪应力，分别提取支座上方顶板横截面以及摊铺边界附近纵隔板上顶板纵截面在yz面上沿z轴的剪应力见图16.由图16a)可知，未摊铺区域正的剪应力先逐渐增大，摊铺边缘纵隔板位置剪应力达到最大值，最大剪应力为48 MPa，纵隔板正上方应力较小，应力差为27 MPa，摊铺区域应力逐渐较小，距离摊铺边缘1 500 mm左右出现反向的剪应力，随后剪应力逐渐增大，在摊铺中心附近纵隔板位置出现应力突变，应力差为53 MPa，纵隔板位置应力基本为0，横截面竖向加劲肋为出现应力拐点，但影响很小.由图16b)可知，摊铺边界纵截面剪应力基本呈现反对称趋势，两端应力最大且存在较大的应力突变，横隔板位置同样出现应力突变，但应力差值较小，应力整体变化趋势稳定.

图16 顶板剪应力τxz

4 结 论

1) 横隔板-U肋焊缝上下缘温差超过30 ℃，施工过程中焊缝处于上缘受压下缘受拉的状态，需在摊铺施工结束后关注焊缝的使用性能.

2) 温度荷载作用下，摊铺区域钢桥面板主要呈现竖向上拱的变形形式，U肋两侧存在接近0.4 mm的竖向变形差，应力差值超过310 MPa，U肋处存在扭转失稳隐患.

3) 摊铺边缘钢桥面板温度变化明显，应力差较大，摊铺区域纵隔板位置出现剪应力集中，且纵隔板两侧存在应力突变.