趙國(guó)云

(1.重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司，重慶 400060；2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067)

大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)在溫度效應(yīng)作用下會(huì)產(chǎn)生較大的變形、溫度自應(yīng)力和附加應(yīng)力[1]，影響橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐久性。對(duì)溫度變化引起的橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析的前提是明確溫度分布規(guī)律，確定合理的溫度梯度，然而，一方面，現(xiàn)階段對(duì)大跨徑橋梁溫度分布的研究大多集中在混凝土箱梁[2-4]，對(duì)鋼箱梁溫度分布的研究相對(duì)較少；二是研究成果集中在由日照和氣溫變化引起的溫度場(chǎng)波動(dòng)[5-7]，對(duì)瀝青混合料攤鋪溫度引起的鋼箱梁溫度分布的研究則較為欠缺。

目前，澆注式瀝青混凝土(GA)在中外大跨徑鋼橋鋪裝中得到廣泛應(yīng)用，其攤鋪溫度達(dá)到220～260 ℃，這樣的高溫必然會(huì)在鋼箱梁內(nèi)部引起溫差分布。以某長(zhǎng)江大橋扁平鋼箱梁為研究對(duì)象，測(cè)試和分析澆注式瀝青混合料高溫?cái)備仌r(shí)，鋼箱梁內(nèi)部溫度分布規(guī)律。

1 觀測(cè)斷面和測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)試對(duì)象是一座單跨788 m的雙塔單跨懸索橋，橋面為雙向四車道，全寬27.5 m； 鋼箱梁高3.5 m，寬30.7 m，橋面板厚16 mm，縱向U形肋間距0.6 m，橫隔板間距2.7m；鋪裝結(jié)構(gòu)為：0.2 cm厚MMA防水體系+3 cm厚GA-10+4 cm厚SMA-10。

跨中梁段長(zhǎng)16.6 m，內(nèi)設(shè)6道實(shí)體式橫隔板。在該梁段上選擇三個(gè)測(cè)試斷面A、B和C(見(jiàn)圖1)，分別設(shè)置10個(gè)、6個(gè)和9個(gè)溫度傳感器，共25個(gè)。傳感器位置分為2類，一類設(shè)置于橋面頂板底面，以測(cè)試橫向溫度變化規(guī)律，另一類沿豎向設(shè)置于橫隔板上，豎向間距為1.2 m，以測(cè)試豎向溫度變化規(guī)律，各測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖2，其中，澆注式瀝青混合料攤鋪寬度為8.5 m。

圖1 跨中梁段立面圖Fig.1 Vertical view of mid-span beam segment

圖2 傳感器布置Fig.2 Sensor arrangement

2 鋼箱梁溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律

2.1 橋面板底部測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化規(guī)律

測(cè)試日期為2013年2月，環(huán)境溫度為6 ℃，微風(fēng)，實(shí)測(cè)澆注式瀝青混合料平均攤鋪溫度為232 ℃。攤鋪開(kāi)始后，每半分鐘記錄攤鋪機(jī)位置，讀取三個(gè)斷面上傳感器溫度數(shù)據(jù)。各測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖3，其中，測(cè)點(diǎn)按照從左到右的順序排列。

圖3 橋面板底部測(cè)點(diǎn)的溫度-時(shí)間變化曲線Fig.3 Temperature-time change cures bottom measuring point of bridge deck

圖3所示各測(cè)點(diǎn)的溫度-時(shí)間變化曲線基本揭示了澆注式瀝青混合料攤鋪時(shí)溫度場(chǎng)的橫向變化規(guī)律，也反映出鋼箱梁溫度分布的復(fù)雜性。

(1)隨著攤鋪機(jī)的推進(jìn)，頂板底面各測(cè)點(diǎn)溫度逐漸達(dá)到峰值，但峰值溫度并不相同，且與測(cè)點(diǎn)和攤鋪范圍的距離負(fù)相關(guān)。測(cè)點(diǎn)1、11和17位于攤鋪中線上，溫度變化幅度較大，峰值溫度在環(huán)境溫度的基礎(chǔ)上分別上升約63、72、75 ℃，上升溫度不同是由于鋼箱梁段各部位熱量消散面積不同；測(cè)點(diǎn)5、13、21和6、14、22與攤鋪側(cè)線的距離較近，溫度變化幅度稍?。黄渌麥y(cè)點(diǎn)位于攤鋪范圍外，溫度變化幅度更小，其溫度出現(xiàn)明顯變化的時(shí)間明顯延緩，反映出熱量沿鋼板傳遞的過(guò)程。

(2)溫度變化速率的大小和范圍決定了溫度應(yīng)力的大小，從溫度有明顯變化開(kāi)始，攤鋪范圍內(nèi)各測(cè)點(diǎn)達(dá)到峰值溫度的時(shí)間基本相同，3個(gè)斷面的平均溫度變化速率相接近，分別為0.77、0.89、0.83 ℃/min，但局部時(shí)段差異較大，其中B斷面在50～81 min時(shí)上升至2.10 ℃/min。

(3)攤鋪范圍內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的降溫速率基本相同，并在220 min之后趨于平緩，650 min以后回落至環(huán)境溫度。這為開(kāi)放交通提供了時(shí)間依據(jù)，鋼板受熱則模量降低，提前開(kāi)放交通有可能會(huì)因?yàn)闃蛎嫦祫偠冉档投鸾Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問(wèn)題。

2.2 橫隔板豎向測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化規(guī)律

對(duì)橫隔板上豎向設(shè)置的傳感器溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，繪制豎向測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化曲線，如圖4所示。

圖4 橫隔板豎向溫度-時(shí)間變化曲線Fig.4 Temperature-time change cures of diaphragm vertical

由圖4可見(jiàn)，各測(cè)點(diǎn)的溫度-時(shí)間變化曲線和圖3所示頂板底部測(cè)點(diǎn)具有類似規(guī)律，測(cè)點(diǎn)峰值溫度、溫度出現(xiàn)明顯變化的時(shí)間和測(cè)點(diǎn)距攤鋪范圍的距離呈反相關(guān)關(guān)系。

3 最不利溫度梯度分析

3.1 最不利橫向溫度梯度

3.1.1 溫度橫向分布特征

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，繪制測(cè)試斷面上各測(cè)點(diǎn)在橫向的變化曲線，如圖5所示。

圖5 溫度橫向分布特征Fig.5 Transverse distribution feature of temperature

由圖5可以看出，3個(gè)斷面的溫度分布規(guī)律基本相同：攤鋪中線測(cè)點(diǎn)的峰值溫度最高，而攤鋪范圍之外的測(cè)點(diǎn)離攤鋪邊界越遠(yuǎn)，溫度則越低；各斷面上測(cè)點(diǎn)的升溫趨勢(shì)基本相同。

3.1.2 最不利橫向溫度梯度

根據(jù)圖5所示溫度橫向分布數(shù)據(jù)，以中線測(cè)點(diǎn)為基準(zhǔn)，求取其他測(cè)點(diǎn)與中線測(cè)點(diǎn)的溫度差，由于81 min時(shí)攤鋪中線測(cè)點(diǎn)達(dá)到峰值溫度，繪制該時(shí)刻溫差沿橫向的分布圖，結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 溫差橫向分布Fig.6 Transverse distribution of temperature differences

由圖6可以看出，攤鋪范圍外的測(cè)點(diǎn)溫度與中線測(cè)點(diǎn)有所差異，且各不相同，這是由于攤鋪寬度較寬，各斷面上邊線測(cè)點(diǎn)與實(shí)際攤鋪邊線的距離不一定相同，甚至有些測(cè)點(diǎn)處于攤鋪范圍內(nèi)。由圖6可以推斷，攤鋪范圍內(nèi)，溫度橫向分布基本相同，即溫度梯度為0 ℃/m；而攤鋪范圍兩側(cè)的影響范圍約為1.2 m，溫差為70 ℃左右，溫度梯度為58 ℃/m。

3.2 最不利豎向溫度梯度

3.2.1 溫度豎向分布特征

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，繪制A和C斷面上豎向測(cè)點(diǎn)在不同時(shí)刻的溫度分布曲線，如圖7所示。

圖7 溫度豎向分布特征Fig.7 Vertical distribution feature of temperature

可以看出，2個(gè)斷面的溫度變化規(guī)律基本相同：距頂板越遠(yuǎn)，溫度下降速度越快，距頂板底面1.2 m處的測(cè)點(diǎn)溫度僅比空氣溫度高3 ℃左右。

3.2.2 最不利豎向溫度梯度

根據(jù)圖7所示溫度橫向分布數(shù)據(jù)，計(jì)算81 min達(dá)到溫度峰值時(shí)，各測(cè)點(diǎn)溫度與頂板底面測(cè)點(diǎn)的溫差，見(jiàn)圖8。

圖8 溫差豎向分布Fig.8 Vertical distribution of temperature differences

可以看出，在距頂板底面1.2 m范圍內(nèi)，溫度變化最高達(dá)到67 ℃，1.2 m范圍內(nèi)外，溫度變化幅度非常小。因此，可采用指數(shù)函數(shù)對(duì)豎向1.2 m范圍內(nèi)的溫度梯度進(jìn)行擬合[8]：

Ty=68.7×3.32-0.04y

(1)

式(1)中：Ty為計(jì)算點(diǎn)溫度差，℃；y為計(jì)算點(diǎn)到橋面板底面的距離，m。

3.3 最不利縱向溫度梯度

斷面A和攤鋪起始端的距離為13.5 m，而攤鋪機(jī)的行進(jìn)速度平均為1 m/min，因此攤鋪機(jī)行至A斷面的時(shí)間約為13.5 min。但由圖3可知，斷面A溫度出現(xiàn)明顯變化至達(dá)到溫度峰值，時(shí)間約為81 min，說(shuō)明當(dāng)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)溫度峰值時(shí)，攤鋪端已遠(yuǎn)離A斷面約68 m，即溫度峰值出現(xiàn)的時(shí)間延遲于攤鋪機(jī)經(jīng)過(guò)該點(diǎn)的時(shí)間。

當(dāng)某斷面溫度達(dá)到峰值后，隨著攤鋪的延續(xù)，之前的斷面溫度下降，而之后的斷面溫度上升，因此根據(jù)時(shí)-空等效原理，把圖3的橫坐標(biāo)和攤鋪速度相乘，可得到縱向溫度分布規(guī)律，其中C斷面(該斷面溫度分布最不利)見(jiàn)圖9。

圖9 縱向溫度分布Fig.9 Longititanl distribution of temperature

可以看出，縱向最不利溫度梯度位于攤鋪機(jī)后70 m范圍內(nèi)的升溫段，采用直線模擬時(shí)，溫度梯度為10 ℃/m。

4 鋼箱梁頂板底面最高溫度預(yù)估

瀝青混合料是鋼箱梁攤鋪溫度場(chǎng)的主要熱源，因此鋼箱梁構(gòu)件的最高溫度和溫度分布與瀝青混合料的溫度密切相關(guān)，從而可以通過(guò)測(cè)試瀝青混合料的溫度預(yù)估構(gòu)件的溫度。

曾在德國(guó)摩澤爾橋和賈格斯特橋上對(duì)澆注式瀝青混合料攤鋪溫度和橋面板底部最高溫度的關(guān)系進(jìn)行了測(cè)試和分析[9]。兩座鋼橋的橋面板底部最高溫度分別為80～116 ℃和96～140 ℃，比本文測(cè)試結(jié)果高，這是由于德國(guó)采用熱礦粉制作澆注式瀝青混合料，混合料攤鋪溫度一般為250～260 ℃，而中國(guó)采用冷礦粉，混合料攤鋪溫度一般為230～235 ℃。橋面板底部與澆注式瀝青混合料攤鋪溫度之間存在著式(2)所示關(guān)系：

Tmax=f(h)(TG-TA)+TA

(2)

式(2)中：Tmax為橋面板底部最高溫度，℃；h為澆注式瀝青混合料攤鋪厚度，m；TG為澆注式瀝青混合料攤鋪溫度，℃；TA為氣溫，℃。

根據(jù)式(2)和前述測(cè)試結(jié)果，可求出澆注式瀝青混合料鋪裝工程的f(h)，而C斷面的f(h)為0.33。由氣溫、澆注式瀝青混合料的攤鋪溫度和式(2)，可以很方便地預(yù)測(cè)出橋面頂板底部最高溫度，并根據(jù)所述橫向和豎向最不利溫度梯度計(jì)算出各點(diǎn)溫度。

5 結(jié)論

在鋼箱梁頂板底面和橫隔板上分別沿橫向和豎向布置溫度傳感器，測(cè)試澆注式瀝青混合料攤鋪過(guò)程中鋼箱梁內(nèi)部溫度分布規(guī)律，通過(guò)分析和計(jì)算，得出以下結(jié)論。

(1)瀝青鋪裝高溫?cái)備佭^(guò)程中，鋼箱梁頂板底面縱向的最大升溫幅度并不相同，梁端最高，達(dá)到75 ℃，從溫度有明顯變化開(kāi)始，平均升溫速率達(dá)到0.83 ℃/min，局部時(shí)段上升至2.10 ℃/min。

(2)瀝青鋪裝高溫?cái)備佭^(guò)程中，橫隔板上各點(diǎn)的峰值溫度與距攤鋪范圍的距離負(fù)相關(guān)，在1.2 m范圍內(nèi)溫差最高達(dá)到67 ℃，1.2 m范圍外基本無(wú)影響，而溫度梯度可采用指數(shù)函數(shù)模擬。

(3)距攤鋪邊側(cè)1.2 m范圍內(nèi)的最不利橫向溫度梯度約為58 ℃/m，1.2 m范圍外溫度梯度接近于0 ℃/m。

(4)最不利縱向溫度梯度處于攤鋪機(jī)后約70m范圍內(nèi)，該段溫度梯度達(dá)到10 ℃/m。

(5)鋼箱梁頂板底面最高溫度可通過(guò)氣溫、瀝青混合料攤鋪溫度和厚度進(jìn)行預(yù)估，結(jié)合橫向和豎向溫度梯度公式，可預(yù)測(cè)梁體各點(diǎn)溫度。