組合鋼橋面鋪裝溫度場研究

李利利,常明豐,牛曉博,張 潔

(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術學院 道橋工程系,陜西 渭南 714000;2.長安大學 材料科學與工程學院,陜西西安 710061)

組合鋼橋面鋪裝溫度場研究

李利利1,常明豐2,牛曉博2,張 潔2

(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術學院 道橋工程系,陜西 渭南 714000;2.長安大學 材料科學與工程學院,陜西西安 710061)

針對鋼橋面直接鋪筑瀝青混合料鋪裝層存在的剛度差異而導致的瀝青層開裂問題,提出一種新型的組合鋼橋面鋪裝結構,即在橋面與瀝青層間加鋪一層輕質混凝土,以實現兩者之間的剛度過渡。通過鋪筑試驗段,實際觀測氣溫升、降對路面鋪裝層溫度場的不同影響,給出了鋪裝層內溫度與氣溫和太陽輻射之間的線性回歸模型。研究結果表明:瀝青層與輕質混凝土層之間存在著明顯的溫度梯度,輕質混凝土層內部沿深度范圍的溫度梯度較小;鋪裝層溫度與氣溫和太陽輻射之間具有很好的相關性。該研究結果為該組合橋面鋪裝體系的使用以及應力分析提供了依據。

道路工程;鋼橋橋面鋪裝;輕質混凝土;溫度場;回歸分析

目前,鋼橋面鋪裝均采用柔性鋪裝即瀝青混合料鋪裝結構。在鋼橋面上直接鋪筑瀝青混合料,由于鋼橋面板與瀝青混合料鋪裝層的剛度差距較大,層間粘結性較差,導致瀝青混合料鋪裝層容易出現裂縫,且極易從鋼橋面脫落。對此,提出了一種新型的鋼橋面鋪裝組合體系[1—2],即在鋼橋面與瀝青混合料鋪裝層之間加一層輕質混凝土。該新型的橋面鋪裝體系不但減輕了橋梁的自重,還提供了鋼板和瀝青面層的剛度過渡。與鋼橋面相比,輕質混凝土與瀝青面層之間具有更好的粘結性,大大改善了鋼橋面鋪裝的受力特性。

產生橋面鋪裝破壞的原因有:①汽車荷載過重;②溫度引起的蠕變或者開裂。通過研究鋪裝層厚度、鋪裝層模量、鋪裝層溫度及荷載對橋梁橫向最大拉應變的影響發(fā)現[3—4],鋪裝結構層溫度的影響明顯大于其他3個因素的影響。趙朝華[5]對溫度作用下鋼橋面鋪裝層進行了受力分析,認為溫度荷載對常規(guī)的瀝青類鋼橋面鋪裝的影響要遠遠超過行車荷載的影響;周靈[6]等人對鋼橋面直接鋪裝瀝青混凝土的鋪裝結構進行了溫度場的分析,并擬合了溫度與氣溫和太陽輻射之間的關系式;王乾[7]等人將瀝青混凝土橋面鋪裝與橋面板看成整體,對溫度場和溫度應力進行了研究。許多學者對于普通的鋼橋面鋪裝瀝青混凝土橋面結構的溫度場進行了研究,但對于鋼橋面板+輕質混凝土+瀝青混合料的組合橋面鋪裝結構的溫度場分析研究較少。因此,作者擬對這種組合橋面鋪裝結構的溫度場進行研究,為其使用、養(yǎng)護及溫度應力分析提供基本數據。

1 試驗方案

1.1 模型的建立

選取實橋某一節(jié)段半幅橋寬,按1∶1制作試驗段。模型橋的主要尺寸為:橋長2.5×4=10 m,橋寬3.3 m,加勁肋間距33 cm,橫隔板間距2.5 m。橋面鋪裝層為雙層結構,鋪裝下層為5 cm厚的澆注式輕質混合料,該輕質混凝土采用頁巖陶粒輕集料、P.O 52.5水泥、粉煤灰、鋼纖維、高效減水劑及水性丙烯酸樹脂等原材料設計而成[8]。鋪裝上層為4 cm厚的SMA瀝青混合料。在路面深度范圍內共布設5個測點:瀝青路表、瀝青混合料中央、瀝青混合料與輕質混凝土兩者界面處、輕質混凝土中央及輕質混凝土與鋼橋面兩者界面處。鋪裝結構和溫度測點布設如圖1所示。

1.2 試驗儀器

本次測試采用的主要儀器有溫度傳感器和數據采集儀。

圖1 鋪裝結構和測點布設示意Fig.1 Pavement structure and measuring points

在施工完成的路面中,進行取芯鉆孔,然后埋設溫度傳感器。具體做法是:在距離路表分別為9,6.5,4,2和0 cm的位置水平鉆孔并放人傳感器,然后用細料進行填實固定。待傳感器安裝完畢后,再將整個芯樣放回鉆孔中,并用細料填實空隙,同時對各引線進行編號。將所有引線露出路面,再沿著路表刻槽將其引至路邊緣,并對路表進行適當處理,防止雨水進人并保證路表的平整,同時采用相同的溫度傳感器來測試實時氣溫。

2 測試結果分析

對氣溫以及鋪裝層溫度進行24 h連續(xù)觀測,從第1天17∶00觀測到第2天16∶00,每隔1 h記錄一次數據,各測點溫度觀測結果如圖2,3所示,太陽輻射總量如圖4所示。

圖2中數據的觀測起點接近黃昏,受太陽輻射影響較小,因此,鋪裝層各測點的溫度隨著氣溫的降低而降低,其變化較為平緩。從第1天17∶00到第2天16∶00的氣溫降低了3.0℃,測點1的溫度降低了6.0℃,測點2的溫度降低了6.8℃,測點3的溫度降低了7.7℃,測點4的溫度降低了8.4℃,測點5的溫度降低了9.7℃,鋪裝層表面的溫度下降幅度最大。隨著鋪裝層深度的增加,各測點溫度下降幅度越來越小。任意時間點鋪裝層底部溫度都高于表面溫度,沿鋪裝層深度溫度梯度越來越小(測點1與測點2的曲線接近),輕質混凝土層內部溫度梯度明顯小于瀝青混凝土層內的溫度梯度。這是因為溫度下降過程中,一定厚度瀝青混凝土的鋪裝層對橋面鋪裝結構起到了保溫作用,并且輕質混凝土面層導熱系數較低,放熱速度較慢,延緩了內部溫度的降低,該時間段受太陽輻射的影響很小。因此,暴露在空氣中的鋪裝層表面溫度與氣溫最接近。

圖2 第1天17∶00到第2天4∶00氣溫和各測點溫度檢測結果Fig.2 Air temperature and measuring point temperatures from 17∶00 to 4∶00

圖3 5∶00到16∶00氣溫和各測點溫度檢測結果Fig.3 Air temperature and measuring point temperatures from 5∶00 to 16∶00

圖4 太陽總輻射量日變化Fig.4 Diurnal variation of solar total radiation

從圖3中可以看出,從6∶00開始,氣溫回升,太陽光開始強烈,因此鋪裝層溫度開始上升。鋪裝層表面溫度上升最快,8∶00左右各測點溫度曲線出現了交叉,該時間點以后的鋪裝層溫度沿深度范圍下降,表層溫度最高,與第1天17∶00到第2天4∶00的觀測結果剛好相反。這是由于表面層的SMA瀝青混合料為黑色路面,吸收太陽輻射較強,鋪裝層溫度自上而下迅速升高,溫度的上升速度明顯大于溫度的下降速度,逐層表現出明顯的溫度梯度。隨著氣溫的繼續(xù)升高和陽光照射強度的增加,各個測點間的溫度梯度也逐漸明顯,但同樣輕質混凝土層內部溫度梯度明顯小于瀝青混凝土層內的溫度梯度,但2層之間的溫度梯度較大。在11∶00左右,測點5的曲線出現了一個明顯的拐點,溫度有小幅度下降,這是由于在這一時刻附近天氣狀況變化,出現大量云彩,太陽輻射明顯降低,但氣溫的下降相對滯后。受其影響,測點4,3,2和1出現了相同的趨勢,但隨著鋪裝層深度的增加,該拐點逐漸平緩或消失,出現這種現象的原因是表層瀝青混合料的導熱系數較大,溫度受陽光照射的影響敏感。但是,一定厚度的瀝青面層在一定程度上阻止了熱量向下層的傳遞,且下面層輕質混凝土的導熱系數較低,更加減緩了熱量的傳遞。氣溫和各測點的溫度在15∶00時達到最高。

綜合圖2,3可以看出,在升溫和降溫過程中,輕質混凝土與瀝青面層之間都產生了較為明顯的溫度梯度,升溫過程導致的溫度梯度更加明顯,其原因是2層材料導熱系數的差異較大。在溫度梯度的作用下,由于不同的熱膨脹系數,2種面層會出現不同的膨脹量或收縮量,這將導致2種面層間變形不協(xié)調,嚴重時可導致上面層開裂。同理,輕質混凝土面層與鋼橋面板間導熱系數和熱膨脹系數的差異更大,即在溫度梯度作用下,會產生更為嚴重的不協(xié)調變形,嚴重時可導致輕質混凝土面層與鋼橋面板間粘結失效或者輕質混凝土層開裂。

3 溫度場的回歸分析

由實際觀測數據和文獻[9]可知,氣溫和太陽輻射是影響鋪裝層溫度的主要因素,各測點溫度的變化趨勢與氣溫的變化趨勢一致,各測點受太陽輻射的影響比較大,越靠近路表處受到的影響越大,因此,選用SPSS統(tǒng)計分析軟件[10],分別建立各測點溫度與變量氣溫、太陽輻射之間的線性回歸方程。

測點1:

測點2:

測點3:

測點4:

測點5:

式中:y1～y5均為各測點溫度,℃;x1為太陽輻射量,0.01 MJ/m2;x2為氣溫,℃。

式(1)～(5)的相關性達到了0.8以上,其中測點5的相關性最高,達到了0.928。將地區(qū)的環(huán)境溫度和太陽輻射量代人到公式中,就可以得到橋面鋪裝內部的溫度。

4 結論

1)鋼橋面鋪裝結構的溫度隨氣溫的變化而變化,受太陽輻射的影響較大,鋪裝層白天的溫度明顯高于夜晚的溫度。瀝青層與輕質混凝土層之間出現了明顯的溫度梯度,升溫過程中溫度梯度表現得更為突出。

2)在升溫或降溫過程中,輕質混凝土對溫度的敏感性小于瀝青混合料的,輕質混凝土層在觀測時間段內產生的溫度梯度要比瀝青混合料層的小得多。

3)根據實測結果,建立了鋪裝層內各測點與變量氣溫、太陽輻射之間的多元線性回歸方程。它們均具有較好的相關性,其中路表溫度方程的相關性最高。

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Study on temperature field of composite steel bridge deck pavement

LI Li-li1,CHANG Ming-feng2,NIU Xiao-bo2,ZHANG Jie2
(1.Department of Highway and Bridge Engineering,Shaanxi Railway Institute,Weinan 714000,China; 2.School of Materials Science and Engineering,Chang’an University,Xi’an 710061,China)

A new composite pavement steel bridge deck of which a light concrete layer is paved between the bridge deck and asphalt pavement is proposed for the cracking of asphalt layer due to the stiffness difference,and the asphalt mixture pavement layer is paved on steel bridge deck directly.The influence of the variation of air temperature on temperature field of pavement layer was observed by the test section.The linear regression models of the pavement layer’s temperature between the air temperature and solar ration were given among the particles.The results indicate that there be an obvious temperature gradient between the asphalt layer and the light concrete layer,while the temperature gradient inside the light concrete layer along the depth range is smaller.The pavement temperature has a good correlation with air temperature and solar radiation. The research results provide the basis for the stress analysis of composite pavement on steel bridge deck.

road engineering;steel bridge deck pavement;light concrete;temperature field;regression analysis

U443.33

A

1674—599X(2015)04—0055—04

2015—04—06

陜西鐵路工程職業(yè)技術學院2014年科研基金資助項目(2014—11);國家自然科學基金項目(51408047);大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(201410710152)

李利利(1986—),女,陜西鐵路工程職業(yè)技術學院助教,碩士。