鋼橋面鋪裝溫度對(duì)鋼橋面板的溫度場(chǎng)特性影響研究及應(yīng)變分析

謝超

摘 ? ?要：大跨徑鋼橋面板鋪裝一般采用瀝青混凝土形式，其施工溫度高度220℃～250℃，如此高溫的攤鋪?zhàn)鳂I(yè)可能會(huì)引起鋼橋面板的局部溫度變形，對(duì)鋼橋面板的性能造成影響，甚至可能威脅到橋梁整體結(jié)構(gòu)安全。本文依托某長(zhǎng)江大橋鋼橋面板澆筑時(shí)瀝青鋪裝工程，對(duì)鋼橋面板鋪裝區(qū)域的橋面板、U型肋溫度及應(yīng)變進(jìn)行了檢測(cè)。數(shù)據(jù)分析表明，澆筑式瀝青混凝土施工引起了下方結(jié)構(gòu)溫度的大幅變化，其影響范圍約60cm，最高溫度達(dá)到72.4℃，影響時(shí)間約為7h，無(wú)鋪裝施工區(qū)域的結(jié)構(gòu)溫度變化與環(huán)境溫度變化基本一致，可忽略;施工期間結(jié)構(gòu)應(yīng)變范圍為-540[με]～510[με]，即鋼結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值為-113MPa～107MPa，溫度變化引起的應(yīng)力值遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)材料拉壓力學(xué)性能參數(shù)，證明澆筑式瀝青混凝土的高溫?cái)備佔(zhàn)鳂I(yè)對(duì)橋面板基本不會(huì)造成影響。

關(guān)鍵詞：鋼橋面板;瀝青混凝土;高溫?cái)備佔(zhàn)鳂I(yè);溫度應(yīng)力

1 ?引言

鋼橋的快速發(fā)展也相應(yīng)推動(dòng)了鋼橋面鋪裝的廣泛應(yīng)用，鋼橋面板一般采取正交異形板結(jié)構(gòu)，其鋪裝層通常采用熱拌瀝青混合料，尤其澆筑式瀝青混凝土施工，施工時(shí)溫度高達(dá)220℃～250℃，相對(duì)于一般的瀝青材料高出約60℃。本文以某長(zhǎng)江大橋施工為例，對(duì)鋼橋面板在施工溫度下的應(yīng)力應(yīng)變情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，從而找出該施工溫度對(duì)鋼橋面板應(yīng)力應(yīng)變的影響，以便對(duì)今后類似工程的施工提供分析數(shù)據(jù)及理論支持。

2 ?監(jiān)測(cè)對(duì)象特征描述

本次試驗(yàn)選取的監(jiān)測(cè)對(duì)象為某長(zhǎng)江大橋鋼橋鋼橋面板，面板采用正交異性板模式。而瀝青鋪裝層一般鋪裝在鋼橋面板之上，其主要作用是對(duì)鋼橋面板進(jìn)行防腐和有利于車輛走行[1]。

鋼橋面板作為主梁的上翼緣，同時(shí)又直接承受車輛的輪載作用。鋼橋面板是由面板、縱肋和橫肋三種薄板件焊接而成，在焊縫交叉處設(shè)弧形缺口，其構(gòu)造細(xì)節(jié)很復(fù)雜。當(dāng)車輛通過(guò)時(shí)，輪載在各部件上產(chǎn)生的應(yīng)力，以及在各部件交叉處產(chǎn)生的局部應(yīng)力和變形也非常復(fù)雜，所以鋼橋面板的疲勞問(wèn)題是設(shè)計(jì)考慮的重點(diǎn)之一[2]。自1966年英國(guó)Severn橋（懸索橋）采用扁平鋼箱梁以來(lái)，鋼橋面板陸續(xù)出現(xiàn)許多疲勞裂紋，主要產(chǎn)生的部位有縱助與面板之間的肋角焊縫、縱橫肋交叉的弧形缺口處，U形肋鋼襯墊板對(duì)接焊縫處等，其中梁段之間鋼橋面板工地接頭是抗疲勞最薄弱的部位[3]。

3 ?試驗(yàn)設(shè)計(jì)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

本文依據(jù)項(xiàng)目檢測(cè)點(diǎn)布置在鋼橋面板橫、縱向加勁肋正交處，寬度方向布置在兩側(cè)鋪裝支架，總長(zhǎng)度約1/4橋面板寬度，如圖1所示。

整個(gè)測(cè)量范圍處于主梁中線下游側(cè)，如圖1所示，先鋪裝施工內(nèi)側(cè)（下游側(cè)），后鋪裝施工外側(cè)（上游側(cè)）。

澆筑式瀝青混凝土屬于懸浮式密實(shí)性結(jié)構(gòu)的瀝青混凝土，混合料與鋼橋面變形有很好的隨從性，整體性優(yōu)良，具有優(yōu)良的抗低溫開(kāi)裂和抗疲勞開(kāi)裂性能[4] [5]，在施工溫度下，瀝青混合料有一定的流動(dòng)性，只需要使用攤鋪機(jī)施工，不需要碾壓就可達(dá)到規(guī)定的密實(shí)度。

4 ?施工數(shù)據(jù)及分析

4.1 ?溫度檢測(cè)結(jié)果整理

第Ⅰ次鋪裝時(shí)，鋪裝施工至測(cè)試斷面位置的時(shí)間為16：50，分析數(shù)據(jù)時(shí)的時(shí)間取值范圍為：2019-05-20-15：39～23：59，漢陽(yáng)側(cè)測(cè)試斷面測(cè)點(diǎn)溫度時(shí)程曲線如圖2所示。

（a）下游側(cè)測(cè)點(diǎn)溫度時(shí)程曲線

（b）中間測(cè)點(diǎn)溫度時(shí)程曲線

圖2 ?鋪裝施工期（Ⅰ）漢陽(yáng)側(cè)測(cè)試斷面測(cè)點(diǎn)溫度時(shí)程曲線

如圖2（a）所示。

（1）在17：29時(shí)上測(cè)點(diǎn)溫度達(dá)到最高，為62.9℃，此時(shí)中測(cè)點(diǎn)溫度為44.2℃，下測(cè)點(diǎn)溫度為32.7℃;在17：59時(shí)中測(cè)點(diǎn)溫度達(dá)到最高，為48.7℃，此時(shí)上測(cè)點(diǎn)溫度為60.1℃，下測(cè)點(diǎn)溫度為36.7℃;在18：29時(shí)下測(cè)點(diǎn)溫度達(dá)到最高，為38.1℃，此時(shí)上測(cè)點(diǎn)溫度為53.7℃，中測(cè)點(diǎn)溫度為46.9℃;升溫過(guò)程中，各相鄰測(cè)點(diǎn)之間的溫度差值不同，在降溫過(guò)程中，各相鄰測(cè)點(diǎn)之間的溫度差值基本相同;鋼橋面板澆注式瀝青鋪裝施工的溫度影響時(shí)間約為7h，在距離頂板底面約0.5m時(shí)，溫度上升最大值約11℃，由此可推斷出，鋪裝施工時(shí)的溫度影響范圍約60cm。

（2）在升溫過(guò)程中，測(cè)點(diǎn)根據(jù)距離熱源遠(yuǎn)近，由常溫升高到最高溫度值的時(shí)間差（滯后）均為30分鐘;溫度升降過(guò)程中的同一列測(cè)點(diǎn)的溫度變化速率不同，上測(cè)點(diǎn)近熱源，升降溫速率均最大，下測(cè)點(diǎn)遠(yuǎn)熱源，升降溫速率均最小，中測(cè)點(diǎn)處于二者之間。

（3）升溫過(guò)程溫度梯度顯著（如圖2（b）中17：29時(shí)橫隔板溫度值由上至下分別為67.5-43.7=23.8℃、43.7-32.0=11.7℃），鋪裝后的降溫過(guò)程溫度梯度較?。ㄈ鐖D2（b）中18：29時(shí)橫隔板溫度值由上至下分別為57.9-49.0=8.9℃、49.0-37.9=11.1℃）。

由圖2（a）和圖2（b）對(duì)比可知，處于鋪裝寬度中部位置的下游側(cè)測(cè)點(diǎn)和處于鋪裝寬度邊緣（靠近兩次鋪裝接縫位置約16cm）的中間測(cè)點(diǎn)具有相同的溫度變化規(guī)律;由于越靠近底板下表面溫度梯度越大，使得溫度測(cè)量值對(duì)傳感器安裝位置依賴性增強(qiáng)，靠近底板下表面位置安裝施工不便，其安裝偏差導(dǎo)致上測(cè)點(diǎn)的溫度差異約4.6℃，中測(cè)點(diǎn)和下測(cè)點(diǎn)吻合良好。

4.2 ?應(yīng)變監(jiān)控結(jié)果分析

鋪裝時(shí)，以漢陽(yáng)側(cè)測(cè)試斷面部分測(cè)點(diǎn)應(yīng)變實(shí)測(cè)值為例，鋪裝施工時(shí)間段內(nèi)的同一測(cè)點(diǎn)處的溫度和應(yīng)變實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)間對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

（a）下游側(cè)上測(cè)點(diǎn)溫度與應(yīng)變實(shí)測(cè)值對(duì)應(yīng)關(guān)系

（b）下游側(cè)中測(cè)點(diǎn)溫度與中上測(cè)點(diǎn)應(yīng)變實(shí)測(cè)值對(duì)應(yīng)關(guān)系

（c）上游側(cè)上測(cè)點(diǎn)溫度與應(yīng)變實(shí)測(cè)值對(duì)應(yīng)關(guān)系

（d）上游側(cè)中測(cè)點(diǎn)溫度與中上測(cè)點(diǎn)應(yīng)變實(shí)測(cè)值對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖3 ?鋪裝施工期同位置處溫度-應(yīng)變實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)間對(duì)應(yīng)關(guān)系

由圖3可知。

（1）鋪裝期間的主梁測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)變變化主要由溫度荷載引起，鋪裝車輛和瀝青引起局部較小變化量，環(huán)境荷載在短期內(nèi)的影響可忽略。

（2）應(yīng)變變化與溫度變化具有明顯的正相關(guān)特點(diǎn)。

（3）05-20-16：49和05-21-08：59時(shí)刻的應(yīng)變突變?yōu)殇佈b車輛和瀝青荷載引起，其余毛刺現(xiàn)象應(yīng)為部分車輛通行所引起，但不影響整體的變化規(guī)律。

（3）各圖中拉應(yīng)變最大值分別為407[με]、233[με]、517[με]和219[με]，即最大拉應(yīng)力約為109 MPa，處于漢陽(yáng)側(cè)上游上測(cè)點(diǎn)處。

5 ?結(jié)論

綜上可知，澆注式瀝青鋪裝施工期間的鋼結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值在109MPa，遠(yuǎn)小于橋梁主梁鋼結(jié)構(gòu)材料的拉壓力學(xué)性能參數(shù)。由前述分析可知，橫隔板、橋面板和U肋構(gòu)成的焊接結(jié)構(gòu)，其焊縫為三向受力狀態(tài)，高溫及運(yùn)營(yíng)期間環(huán)境溫度的變化引起的焊縫耐久性問(wèn)題（交變溫度引起的焊縫疲勞）值得更深入的研究。

參考文獻(xiàn)：

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