钢桥面铺装温度对钢桥面板的温度场特性影响研究及应变分析

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　　摘    要：大跨径钢桥面板铺装一般采用沥青混凝土形式，其施工温度高度220℃～250℃，如此高温的摊铺作业可能会引起钢桥面板的局部温度变形，对钢桥面板的性能造成影响，甚至可能威胁到桥梁整体结构安全。本文依托某长江大桥钢桥面板浇筑时沥青铺装工程，对钢桥面板铺装区域的桥面板、U型肋温度及应变进行了检测。数据分析表明，浇筑式沥青混凝土施工引起了下方结构温度的大幅变化，其影响范围约60cm，最高温度达到72.4℃，影响时间约为7h，无铺装施工区域的结构温度变化与环境温度变化基本一致，可忽略;施工期间结构应变范围为-540[με]～510[με]，即钢结构最大应力值为-113MPa～107MPa，温度变化引起的应力值远小于结构材料拉压力学性能参数，证明浇筑式沥青混凝土的高温摊铺作业对桥面板基本不会造成影响。
　　关键词：钢桥面板;沥青混凝土;高温摊铺作业;温度应力
　　1  引言
　　钢桥的快速发展也相应推动了钢桥面铺装的广泛应用，钢桥面板一般采取正交异形板结构，其铺装层通常采用热拌沥青混合料，尤其浇筑式沥青混凝土施工，施工时温度高达220℃～250℃，相对于一般的沥青材料高出约60℃。本文以某长江大桥施工为例，对钢桥面板在施工温度下的应力应变情况进行监测分析，从而找出该施工温度对钢桥面板应力应变的影响，以便对今后类似工程的施工提供分析数据及理论支持。
　　2  监测对象特征描述
　　本次试验选取的监测对象为某长江大桥钢桥钢桥面板，面板采用正交异性板模式。而沥青铺装层一般铺装在钢桥面板之上，其主要作用是对钢桥面板进行防腐和有利于车辆走行[1]。
　　钢桥面板作为主梁的上翼缘，同时又直接承受车辆的轮载作用。钢桥面板是由面板、纵肋和横肋三种薄板件焊接而成，在焊缝交叉处设弧形缺口，其构造细节很复杂。当车辆通过时，轮载在各部件上产生的应力，以及在各部件交叉处产生的局部应力和变形也非常复杂，所以钢桥面板的疲劳问题是设计考虑的重点之一[2]。自1966年英国Severn桥（悬索桥）采用扁平钢箱梁以来，钢桥面板陆续出现许多疲劳裂纹，主要产生的部位有纵助与面板之间的肋角焊缝、纵横肋交叉的弧形缺口处，U形肋钢衬垫板对接焊缝处等，其中梁段之间钢桥面板工地接头是抗疲劳最薄弱的部位[3]。
　　3  试验设计及监测点布置
　　本文依据项目检测点布置在钢桥面板横、纵向加劲肋正交处，宽度方向布置在两侧铺装支架，总长度约1/4桥面板宽度，如图1所示。
　　整个测量范围处于主梁中线下游侧，如图1所示，先铺装施工内侧（下游侧），后铺装施工外侧（上游侧）。
　　浇筑式沥青混凝土属于悬浮式密实性结构的沥青混凝土，混合料与钢桥面变形有很好的随从性，整体性优良，具有优良的抗低温开裂和抗疲劳开裂性能[4] [5]，在施工温度下，沥青混合料有一定的流动性，只需要使用摊铺机施工，不需要碾压就可达到规定的密实度。
　　4  施工数据及分析
　　4.1  温度检测结果整理
　　第Ⅰ次铺装时，铺装施工至测试断面位置的时间为16：50，分析数据时的时间取值范围为：2019-05-20-15：39～23：59，汉阳侧测试断面测点温度时程曲线如图2所示。
　　（a）下游侧测点温度时程曲线
　　（b）中间测点温度时程曲线
　　图2  铺装施工期（Ⅰ）汉阳侧测试断面测点温度时程曲线
　　如图2（a）所示。
　　（1）在17：29时上测点温度达到最高，为62.9℃，此时中测点温度为44.2℃，下测点温度为32.7℃;在17：59时中测点温度达到最高，为48.7℃，此时上测点温度为60.1℃，下测点温度为36.7℃;在18：29时下测点温度达到最高，为38.1℃，此时上测点温度为53.7℃，中测点温度为46.9℃;升温过程中，各相邻测点之间的温度差值不同，在降温过程中，各相邻测点之间的温度差值基本相同;钢桥面板浇注式沥青铺装施工的温度影响时间约为7h，在距离顶板底面约0.5m时，温度上升最大值约11℃，由此可推断出，铺装施工时的温度影响范围约60cm。
　　（2）在升温过程中，测点根据距离热源远近，由常温升高到最高温度值的时间差（滞后）均为30分钟;温度升降过程中的同一列测点的温度变化速率不同，上测点近热源，升降温速率均最大，下测点远热源，升降温速率均最小，中测点处于二者之间。
　　（3）升温过程温度梯度显著（如图2（b）中17：29时横隔板温度值由上至下分别为67.5-43.7=23.8℃、43.7-32.0=11.7℃），铺装后的降温过程温度梯度较小（如图2（b）中18：29时横隔板温度值由上至下分别为57.9-49.0=8.9℃、49.0-37.9=11.1℃）。
　　由图2（a）和图2（b）对比可知，处于铺装宽度中部位置的下游侧测点和处于铺装宽度边缘（靠近两次铺装接缝位置约16cm）的中间测点具有相同的温度变化规律;由于越靠近底板下表面温度梯度越大，使得温度测量值对传感器安装位置依赖性增强，靠近底板下表面位置安装施工不便，其安装偏差导致上测点的温度差异约4.6℃，中测点和下测点吻合良好。
　　4.2  应变监控结果分析
　　铺装时，以汉阳侧测试断面部分测点应变实测值为例，铺装施工时间段内的同一测点处的温度和应变实测数据间对应关系如图3所示。
　　（a）下游侧上测点温度与应变实测值对应关系
　　（b）下游侧中测点温度与中上测点应变实测值对应关系
　　（c）上游侧上测点温度与应变实测值对应关系
　　（d）上游侧中测点温度与中上测点应变实测值对应关系
　　图3  铺装施工期同位置处温度-应变实测数据间对应关系
　　由图3可知。
　　（1）铺装期间的主梁测点处的应变变化主要由温度荷载引起，铺装车辆和沥青引起局部较小变化量，环境荷载在短期内的影响可忽略。
　　（2）应变变化与温度变化具有明显的正相关特点。
　　（3）05-20-16：49和05-21-08：59时刻的应变突变为铺装车辆和沥青荷载引起，其余毛刺现象应为部分车辆通行所引起，但不影响整体的变化规律。
　　（3）各图中拉应变最大值分别为407[με]、233[με]、517[με]和219[με]，即最大拉应力约为109 MPa，处于汉阳侧上游上测点处。
　　5  结论
　　综上可知，浇注式沥青铺装施工期间的钢结构最大应力值在109MPa，远小于桥梁主梁钢结构材料的拉压力学性能参数。由前述分析可知，橫隔板、桥面板和U肋构成的焊接结构，其焊缝为三向受力状态，高温及运营期间环境温度的变化引起的焊缝耐久性问题（交变温度引起的焊缝疲劳）值得更深入的研究。
　　参考文献：
　　[1] 王春生，冯亚成.正交异性钢桥面板的疲劳研究综述[J].钢结构，2008，24（9）：10～13+32.
　　[2] 王春生，付炳宁.正交异性钢桥面板足尺疲劳试验.中国公路学报，2013，26（2）：69～75.
　　[3] 顾萍，裴辉腾，盛博等.U肋带内隔板钢桥面疲劳性能研究[J].同济大学学报：自然科学版，2014（10）：1500～1504.
　　[4] 刘卓，孙华.浇筑式沥青混凝土钢桥面铺装技术.天津建设科技，2005（1）：46～48.
　　[5] 吴冲，刘海燕，张志宏，孙鸣.桥面铺装温度对正交异性钢桥面板疲劳的影响[D].同济大学学报（自然科学版），2013.
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