鋼橋面鋪裝溫度對鋼橋面板的溫度場特性影響研究及應變分析

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℃，如此高溫的攤鋪作業可能會引起鋼橋面板的局部溫度變形，對鋼橋面板的性能造成影響，甚至可能威脅到橋梁整體結構安全。本文依托某長江大橋鋼橋面板澆筑時瀝青鋪裝工程，對鋼橋面板鋪裝區域的橋面板、U型肋溫度及應變進行了檢測。數據分析表明，澆筑式瀝青混凝土施工引起了下方結構溫度的大幅變化，其影響范圍約60cm，最高溫度達到72.4℃，影響時間約為7h，無鋪裝施工區域的結構溫度變化與環境溫度變化基本一致，可忽略;施工期間結構應變范圍為-540[με]～510[με]，即鋼結構最大應力值為-113MPa～107MPa，溫度變化引起的應力值遠小于結構材料拉壓力學性能參數，證明澆筑式瀝青混凝土的高溫攤鋪作業對橋面板基本不會造成影響。

關鍵詞：鋼橋面板;瀝青混凝土;高溫攤鋪作業;溫度應力

1 ?引言

鋼橋的快速發展也相應推動了鋼橋面鋪裝的廣泛應用，鋼橋面板一般采取正交異形板結構，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，施工時溫度高達220℃～250℃，相對于一般的瀝青材料高出約60℃。本文以某長江大橋施工為例，對鋼橋面板在施工溫度下的應力應變情況進行監測分析，從而找出該施工溫度對鋼橋面板應力應變的影響，以便對今后類似工程的施工提供分析數據及理論支持。

2 ?監測對象特征描述

本次試驗選取的監測對象為某長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，其主要作用是對鋼橋面板進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，在焊縫交叉處設弧形缺口，其構造細節很復雜。當車輛通過時，輪載在各部件上產生的應力，以及在各部件交叉處產生的局部應力和變形也非常復雜，所以鋼橋面板的疲勞問題是設計考慮的重點之一[2]。自1966年英國Severn橋（懸索橋）采用扁平鋼箱梁以來，鋼橋面板陸續出現許多疲勞裂紋，主要產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 ?試驗設計及監測點布置

本文依據項目檢測點布置在鋼橋面板橫、縱向加勁肋正交處，寬度方向布置在兩側鋪裝支架，總長度約1/4橋面板寬度，如圖1所示。

整個測量范圍處于主梁中線下游側，如圖1所示，先鋪裝施工內側（下游側），后鋪裝施工外側（上游側）。

澆筑式瀝青混凝土屬于懸浮式密實性結構的瀝青混凝土，混合料與鋼橋面變形有很好的隨從性，整體性優良，具有優良的抗低溫開裂和抗疲勞開裂性能[4] [5]，在施工溫度下，瀝青混合料有一定的流動性，只需要使用攤鋪機施工，不需要碾壓就可達到規定的密實度。

4 ?施工數據及分析

4.1 ?溫度檢測結果整理

第Ⅰ次鋪裝時，鋪裝施工至測試斷面位置的時間為16：50，分析數據時的時間取值范圍為：2019-05-20-15：39～23：59，漢陽側測試斷面測點溫度時程曲線如圖2所示。

（a）下游側測點溫度時程曲線

（b）中間測點溫度時程曲線

圖2 ?鋪裝施工期（Ⅰ）漢陽側測試斷面測點溫度時程曲線

如圖2（a）所示。

（1）在17：29時上測點溫度達到最高，為62.9℃，此時中測點溫度為44.2℃，下測點溫度為32.7℃;在17：59時中測點溫度達到最高，為48.7℃，此時上測點溫度為60.1℃，下測點溫度為36.7℃;在18：29時下測點溫度達到最高，為38.1℃，此時上測點溫度為53.7℃，中測點溫度為46.9℃;升溫過程中，各相鄰測點之間的溫度差值不同，在降溫過程中，各相鄰測點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間約為7h，在距離頂板底面約0.5m時，溫度上升最大值約11℃，由此可推斷出，鋪裝施工時的溫度影響范圍約60cm。

（2）在升溫過程中，測點根據距離熱源遠近，由常溫升高到最高溫度值的時間差（滯后）均為30分鐘;溫度升降過程中的同一列測點的溫度變化速率不同，上測點近熱源，升降溫速率均最大，下測點遠熱源，升降溫速率均最小，中測點處于二者之間。

（3）升溫過程溫度梯度顯著（如圖2（b）中17：29時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℃），鋪裝后的降溫過程溫度梯度較小（如圖2（b）中18：29時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）對比可知，處于鋪裝寬度中部位置的下游側測點和處于鋪裝寬度邊緣（靠近兩次鋪裝接縫位置約16cm）的中間測點具有相同的溫度變化規律;由于越靠近底板下表面溫度梯度越大，使得溫度測量值對傳感器安裝位置依賴性增強，靠近底板下表面位置安裝施工不便，其安裝偏差導致上測點的溫度差異約4.6℃，中測點和下測點吻合良好。

4.2 ?應變監控結果分析

鋪裝時，以漢陽側測試斷面部分測點應變實測值為例，鋪裝施工時間段內的同一測點處的溫度和應變實測數據間對應關系如圖3所示。

（a）下游側上測點溫度與應變實測值對應關系

（b）下游側中測點溫度與中上測點應變實測值對應關系

（c）上游側上測點溫度與應變實測值對應關系

（d）上游側中測點溫度與中上測點應變實測值對應關系

圖3 ?鋪裝施工期同位置處溫度-應變實測數據間對應關系

由圖3可知。

（1）鋪裝期間的主梁測點處的應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，環境荷載在短期內的影響可忽略。

（2）應變變化與溫度變化具有明顯的正相關特點。

（3）05-20-16：49和05-21-08：59時刻的應變突變為鋪裝車輛和瀝青荷載引起，其余毛刺現象應為部分車輛通行所引起，但不影響整體的變化規律。

（3）各圖中拉應變最大值分別為407[με]、233[με]、517[με]和219[με]，即最大拉應力約為109 MPa，處于漢陽側上游上測點處。

5 ?結論

綜上可知，澆注式瀝青鋪裝施工期間的鋼結構最大應力值在109MPa，遠小于橋梁主梁鋼結構材料的拉壓力學性能參數。由前述分析可知，橫隔板、橋面板和U肋構成的焊接結構，其焊縫為三向受力狀態，高溫及運營期間環境溫度的變化引起的焊縫耐久性問題（交變溫度引起的焊縫疲勞）值得更深入的研究。

參考文獻：

[1] 王春生，馮亞成.正交異性鋼橋面板的疲勞研究綜述[J].鋼結構，2008，24（9）：10～13+32.

[2] 王春生，付炳寧.正交異性鋼橋面板足尺疲勞試驗.中國公路學報，2013，26（2）：69～75.

[3] 顧萍，裴輝騰，盛博等.U肋帶內隔板鋼橋面疲勞性能研究[J].同濟大學學報：自然科學版，2014（10）：1500～1504.

[4] 劉卓，孫華.澆筑式瀝青混凝土鋼橋面鋪裝技術.天津建設科技，2005（1）：46～48.

[5] 吳沖，劉海燕，張志宏，孫鳴.橋面鋪裝溫度對正交異性鋼橋面板疲勞的影響[D].同濟大學學報（自然科學版），2013.