李利利,常明豐,牛曉博,張 潔

(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 道橋工程系,陜西 渭南 714000;2.長(zhǎng)安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,陜西西安 710061)

組合鋼橋面鋪裝溫度場(chǎng)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(shù)學(xué)院 道橋工程系,陜西 渭南 714000;2.長(zhǎng)安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,陜西西安 710061)

針對(duì)鋼橋面直接鋪筑瀝青混合料鋪裝層存在的剛度差異而導(dǎo)致的瀝青層開(kāi)裂問(wèn)題,提出一種新型的組合鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu),即在橋面與瀝青層間加鋪一層輕質(zhì)混凝土,以實(shí)現(xiàn)兩者之間的剛度過(guò)渡。通過(guò)鋪筑試驗(yàn)段,實(shí)際觀測(cè)氣溫升、降對(duì)路面鋪裝層溫度場(chǎng)的不同影響,給出了鋪裝層內(nèi)溫度與氣溫和太陽(yáng)輻射之間的線性回歸模型。研究結(jié)果表明:瀝青層與輕質(zhì)混凝土層之間存在著明顯的溫度梯度,輕質(zhì)混凝土層內(nèi)部沿深度范圍的溫度梯度較小;鋪裝層溫度與氣溫和太陽(yáng)輻射之間具有很好的相關(guān)性。該研究結(jié)果為該組合橋面鋪裝體系的使用以及應(yīng)力分析提供了依據(jù)。

道路工程;鋼橋橋面鋪裝;輕質(zhì)混凝土;溫度場(chǎng);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(jié)構(gòu)。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(jié)性較差,導(dǎo)致瀝青混合料鋪裝層容易出現(xiàn)裂縫,且極易從鋼橋面脫落。對(duì)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(zhì)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(guò)渡。與鋼橋面相比,輕質(zhì)混凝土與瀝青面層之間具有更好的粘結(jié)性,大大改善了鋼橋面鋪裝的受力特性。

產(chǎn)生橋面鋪裝破壞的原因有:①汽車(chē)荷載過(guò)重;②溫度引起的蠕變或者開(kāi)裂。通過(guò)研究鋪裝層厚度、鋪裝層模量、鋪裝層溫度及荷載對(duì)橋梁橫向最大拉應(yīng)變的影響發(fā)現(xiàn)[3—4],鋪裝結(jié)構(gòu)層溫度的影響明顯大于其他3個(gè)因素的影響。趙朝華[5]對(duì)溫度作用下鋼橋面鋪裝層進(jìn)行了受力分析,認(rèn)為溫度荷載對(duì)常規(guī)的瀝青類(lèi)鋼橋面鋪裝的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)行車(chē)荷載的影響;周靈[6]等人對(duì)鋼橋面直接鋪裝瀝青混凝土的鋪裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行了溫度場(chǎng)的分析,并擬合了溫度與氣溫和太陽(yáng)輻射之間的關(guān)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(duì)溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力進(jìn)行了研究。許多學(xué)者對(duì)于普通的鋼橋面鋪裝瀝青混凝土橋面結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)進(jìn)行了研究,但對(duì)于鋼橋面板+輕質(zhì)混凝土+瀝青混合料的組合橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)分析研究較少。因此,作者擬對(duì)這種組合橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)進(jìn)行研究,為其使用、養(yǎng)護(hù)及溫度應(yīng)力分析提供基本數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 模型的建立

選取實(shí)橋某一節(jié)段半幅橋?qū)?按1∶1制作試驗(yàn)段。模型橋的主要尺寸為:橋長(zhǎng)2.5×4=10 m,橋?qū)?.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(jié)構(gòu),鋪裝下層為5 cm厚的澆注式輕質(zhì)混合料,該輕質(zhì)混凝土采用頁(yè)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(shù)脂等原材料設(shè)計(jì)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(nèi)共布設(shè)5個(gè)測(cè)點(diǎn):瀝青路表、瀝青混合料中央、瀝青混合料與輕質(zhì)混凝土兩者界面處、輕質(zhì)混凝土中央及輕質(zhì)混凝土與鋼橋面兩者界面處。鋪裝結(jié)構(gòu)和溫度測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)儀器

本次測(cè)試采用的主要儀器有溫度傳感器和數(shù)據(jù)采集儀。

圖1 鋪裝結(jié)構(gòu)和測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意Fig.1 Pavement structure and measuring points

在施工完成的路面中,進(jìn)行取芯鉆孔,然后埋設(shè)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(xì)料進(jìn)行填實(shí)固定。待傳感器安裝完畢后,再將整個(gè)芯樣放回鉆孔中,并用細(xì)料填實(shí)空隙,同時(shí)對(duì)各引線進(jìn)行編號(hào)。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(duì)路表進(jìn)行適當(dāng)處理,防止雨水進(jìn)人并保證路表的平整,同時(shí)采用相同的溫度傳感器來(lái)測(cè)試實(shí)時(shí)氣溫。

2 測(cè)試結(jié)果分析

對(duì)氣溫以及鋪裝層溫度進(jìn)行24 h連續(xù)觀測(cè),從第1天17∶00觀測(cè)到第2天16∶00,每隔1 h記錄一次數(shù)據(jù),各測(cè)點(diǎn)溫度觀測(cè)結(jié)果如圖2,3所示,太陽(yáng)輻射總量如圖4所示。

圖2中數(shù)據(jù)的觀測(cè)起點(diǎn)接近黃昏,受太陽(yáng)輻射影響較小,因此,鋪裝層各測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)1的溫度降低了6.0℃,測(cè)點(diǎn)2的溫度降低了6.8℃,測(cè)點(diǎn)3的溫度降低了7.7℃,測(cè)點(diǎn)4的溫度降低了8.4℃,測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)溫度下降幅度越來(lái)越小。任意時(shí)間點(diǎn)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(lái)越小(測(cè)點(diǎn)1與測(cè)點(diǎn)2的曲線接近),輕質(zhì)混凝土層內(nèi)部溫度梯度明顯小于瀝青混凝土層內(nèi)的溫度梯度。這是因?yàn)闇囟认陆颠^(guò)程中,一定厚度瀝青混凝土的鋪裝層對(duì)橋面鋪裝結(jié)構(gòu)起到了保溫作用,并且輕質(zhì)混凝土面層導(dǎo)熱系數(shù)較低,放熱速度較慢,延緩了內(nèi)部溫度的降低,該時(shí)間段受太陽(yáng)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(cè)點(diǎn)溫度檢測(cè)結(jié)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(cè)點(diǎn)溫度檢測(cè)結(jié)果Fig.3 Air temperature and measuring point temperatures from 5∶00 to 16∶00

圖4 太陽(yáng)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(kāi)始,氣溫回升,太陽(yáng)光開(kāi)始強(qiáng)烈,因此鋪裝層溫度開(kāi)始上升。鋪裝層表面溫度上升最快,8∶00左右各測(cè)點(diǎn)溫度曲線出現(xiàn)了交叉,該時(shí)間點(diǎn)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(cè)結(jié)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(yáng)輻射較強(qiáng),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(xiàn)出明顯的溫度梯度。隨著氣溫的繼續(xù)升高和陽(yáng)光照射強(qiáng)度的增加,各個(gè)測(cè)點(diǎn)間的溫度梯度也逐漸明顯,但同樣輕質(zhì)混凝土層內(nèi)部溫度梯度明顯小于瀝青混凝土層內(nèi)的溫度梯度,但2層之間的溫度梯度較大。在11∶00左右,測(cè)點(diǎn)5的曲線出現(xiàn)了一個(gè)明顯的拐點(diǎn),溫度有小幅度下降,這是由于在這一時(shí)刻附近天氣狀況變化,出現(xiàn)大量云彩,太陽(yáng)輻射明顯降低,但氣溫的下降相對(duì)滯后。受其影響,測(cè)點(diǎn)4,3,2和1出現(xiàn)了相同的趨勢(shì),但隨著鋪裝層深度的增加,該拐點(diǎn)逐漸平緩或消失,出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是表層瀝青混合料的導(dǎo)熱系數(shù)較大,溫度受陽(yáng)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(zhì)混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)較低,更加減緩了熱量的傳遞。氣溫和各測(cè)點(diǎn)的溫度在15∶00時(shí)達(dá)到最高。

綜合圖2,3可以看出,在升溫和降溫過(guò)程中,輕質(zhì)混凝土與瀝青面層之間都產(chǎn)生了較為明顯的溫度梯度,升溫過(guò)程導(dǎo)致的溫度梯度更加明顯,其原因是2層材料導(dǎo)熱系數(shù)的差異較大。在溫度梯度的作用下,由于不同的熱膨脹系數(shù),2種面層會(huì)出現(xiàn)不同的膨脹量或收縮量,這將導(dǎo)致2種面層間變形不協(xié)調(diào),嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致上面層開(kāi)裂。同理,輕質(zhì)混凝土面層與鋼橋面板間導(dǎo)熱系數(shù)和熱膨脹系數(shù)的差異更大,即在溫度梯度作用下,會(huì)產(chǎn)生更為嚴(yán)重的不協(xié)調(diào)變形,嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致輕質(zhì)混凝土面層與鋼橋面板間粘結(jié)失效或者輕質(zhì)混凝土層開(kāi)裂。

3 溫度場(chǎng)的回歸分析

由實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)[9]可知,氣溫和太陽(yáng)輻射是影響鋪裝層溫度的主要因素,各測(cè)點(diǎn)溫度的變化趨勢(shì)與氣溫的變化趨勢(shì)一致,各測(cè)點(diǎn)受太陽(yáng)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(jì)分析軟件[10],分別建立各測(cè)點(diǎn)溫度與變量氣溫、太陽(yáng)輻射之間的線性回歸方程。

測(cè)點(diǎn)1:

測(cè)點(diǎn)2:

測(cè)點(diǎn)3:

測(cè)點(diǎn)4:

測(cè)點(diǎn)5:

式中:y1～y5均為各測(cè)點(diǎn)溫度,℃;x1為太陽(yáng)輻射量,0.01 MJ/m2;x2為氣溫,℃。

式(1)～(5)的相關(guān)性達(dá)到了0.8以上,其中測(cè)點(diǎn)5的相關(guān)性最高,達(dá)到了0.928。將地區(qū)的環(huán)境溫度和太陽(yáng)輻射量代人到公式中,就可以得到橋面鋪裝內(nèi)部的溫度。

4 結(jié)論

1)鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的溫度隨氣溫的變化而變化,受太陽(yáng)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(zhì)混凝土層之間出現(xiàn)了明顯的溫度梯度,升溫過(guò)程中溫度梯度表現(xiàn)得更為突出。

2)在升溫或降溫過(guò)程中,輕質(zhì)混凝土對(duì)溫度的敏感性小于瀝青混合料的,輕質(zhì)混凝土層在觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)產(chǎn)生的溫度梯度要比瀝青混合料層的小得多。

3)根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果,建立了鋪裝層內(nèi)各測(cè)點(diǎn)與變量氣溫、太陽(yáng)輻射之間的多元線性回歸方程。它們均具有較好的相關(guān)性,其中路表溫度方程的相關(guān)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(shù)學(xué)院2014年科研基金資助項(xiàng)目(2014—11);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51408047);大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201410710152)

李利利(1986—),女,陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院助教,碩士。