沥青高温摊铺时钢-砼叠合梁桥温度场分析

沥青高温摊铺时钢 -砼叠合梁桥温度场 分析

孙晓红 1 ，谢鸿 2 ，张鑫宇 2

岳阳市交通运输局 湖南 岳阳 414000 ； 2. ,2湖南联智科技股份有限公司 湖南 长沙 410100)

摘要：以某钢-砼叠合梁桥为依托，分析沥青高温摊铺下的关键截面在不同摊铺厚度时其温度场变化情况，同时探究钢-砼组合截面关键位置温度场的变化规律。在相同温度下，随着铺筑沥青厚度的增加，热源总量也随之增加，组合结构的整体温升也就越高，对应位置的温度也会相对提高；钢-砼叠合梁在沥青摊铺时所产生的温度梯度效应将远高于日照下所产生的温度梯度效应，在设计工作中应该重视高温沥青摊铺时的温度效应。

关键词：钢-砼组合梁桥；有限元；沥青高温摊铺；温度场；温度梯度；

1.前言

目前钢-砼叠合梁的应用领域是非常广的，钢-砼叠合梁桥相对钢梁桥来说，用钢量少，整体稳定性高，桥面耐久性好；相对混凝土梁桥来说，结构更轻，施工更加简便，需要的工期较短。但是由于钢-砼叠合梁桥发展历史较短，相对其他传统桥型结构来说，其研究成果和研究深度都远比不了其他桥型，研究学者对此进行了大量研究^[1-5]。本文以某钢-砼叠合梁桥为依托材料，针对桥梁跨中位置的1/2截面建立模型，通过研究沥青高温摊铺时关键截面在不同摊铺厚度的温度梯度变化，归纳了钢-砼组合截面关键位置温度梯度变化规律；分析钢-砼叠合梁的竖向最不利温度效应及其变化曲线，并与规范之间对比，进行差异性分析。

2. 有限元模拟

利用Ansys Workbench建立桥梁跨中1/2截面模型。将结构稳态分析得到稳态温度场设为瞬态传热结构的初始温度场，散热时间设为10小时，按式1计算得时间步长为180s^[6]。

(1)

式中： —热流梯度最大处沿热流方向的单元长度； —扩散率。

分析中作如下假定：不计板中普通钢筋影响；材料满足均匀性、连续性及各向同性的力学基本假定；结构服从平截面假定，不计轴向温度变化。年平均温度参考当地气象局统计所得取22℃。边界条件设立可表达式2为^[7]：

(2)

式中： —结构放热系数； —物体导热系数；T—瞬间状态温度； —初始状态温度； —表示截面外法线方向的矢量。钢-砼叠合梁桥内部结构的热交换系数取h₁=14.2W/(m².℃)；外部结构热交换系数取h₂=29.6W/(m².℃)。

2. 计算结果分析

3.1温度场瞬态分析

通过有限元分析得到了同一初始温度150摄氏度下不同沥青摊铺完成后，桥梁跨中1/2截面在2h、4h、6h、8h的瞬时温度场云图，如下图2所示，当摊铺完成之后，热量会先从混凝土桥面板向下方的钢主梁传递，因为混凝土材料导热性相对较弱，混凝土内部散热较慢，下方的钢主梁在升温历程中温度曲线上升平缓并且比混凝土结构更加稳定。同时整个组合结构中的最大温差与摊铺层厚度成正比，随着厚度增加，最大温差也明显有所增加。并且结构在摊铺完成后前两个小时最高温度变化较为明显，之后温度变化速度降低，这说明沥青摊铺散热的过程主要是在前2个小时。

图2 沥青摊铺厚度下桥梁跨中1/2截面的温度场云图

3.2截面竖直方向温度分析

为探究钢-砼叠合梁关键位置节点温度场变化规律，绘出沥青摊铺厚度5cm、8cm、10cm下桥梁跨中1/2截面桥面板中央a点以及桥面板与钢梁交界点b的温度时程曲线图，如下图3、4所示：

图3 a温度-时程曲线图 图4 b温度-时程曲线图

桥面板中央a点在摊铺完成过后，1h前后都有急速上升的情况，约3h前后，其温度达到峰值以后开始降低，并且温度升温及下降规律一致。并且伴随摊铺层厚度增大，混凝土桥面板整体温升也越高。桥面板温度达到一定时，桥面板升温速度高于钢梁散热速度，钢梁温度便会慢慢增大。钢梁与桥面板交界点b温度达到峰值时间远滞后于桥面板中央a点温度达到峰值时间，此外对于不同铺装层厚度对钢梁交界b点温度值影响较小，都在5℃以内。对比桥面板混凝土中心位置a及混凝土与钢梁交界面处b两个位置的温度时程曲线发现：摊铺完成之后，铺装层厚度大小对刚开始结构温度改变趋势以及温度值影响并不大，但是随着时间t增加，铺装层越厚，同位置、同时刻温度数值将会逐渐拉开差距，在最高值位置达到差值的最大点，表明相同温度下，摊铺层越厚，热源量便越多，因此导致组合截面的整体温升也就越高，对应位置的温度也相对会提高。

3.3竖向最不利温度拟合

组合结构温差较大将直接导致结构产生的温度应力大小，为了得到结构的竖向最不利温度梯度，拟合结构竖向最不利温度。取铺装层厚度为8cm，沿梁高方向绘制温度变化曲线，如下图5、6所示。

图5 梁高方向上温度曲线 图6 最不利温度曲线

摊铺完成后对竖直方向截面40cm以内位置温度的影响较大，当摊铺完成后2个小时温度几乎没有变化；在摊铺结束15分钟时，混凝土与沥青交界位置温度达到了92.4℃，此刻钢梁腹板位置为22℃，温差为70.47℃，往后出现的温差都不超过该值，因此该时刻出现了竖向最不利温差，同时在摊铺完成桥梁截面温度开始上升的过程中，钢梁温度上升过程明显要落后于桥面板。

2. 结论

1. 钢-砼叠合梁桥沥青摊铺结束后的散热过程主要集中在前2个小时，同时铺装层厚度对钢梁交界面位置温度变化影响较小；摊铺后1小时左右混凝土桥面温度将快随增大，但是铺装层厚度的改变对温度变化走向和不同位置温度差值影响不大。

（2）相同温度下，摊铺的沥青层厚度越厚，总的热源量便越多，那么必然将导致钢-砼叠合梁桥结构的整体温度上升得也越高，对应位置的温度也相对会增大。

（3）当沥青摊铺完成后15分钟，此时结构将出现竖向最不利温差，竖向温差达到了70.47℃,温差的过大更易使结构产生裂缝，因此对于钢-砼叠合梁桥在进行沥青摊铺时需采取适当的温控措施，减小结构的温差。

（4）钢-砼叠合梁在沥青摊铺时所产生的温度梯度效应将远高于日照下所产生的温度梯度效应，因此在往后的设计工作中应该重视高温沥青摊铺时的温度效应。

参考文献：

1. 王文涛.刚构-连续组合梁桥.第 1 版[M].北京:人民交通出版社,1997,39-40,47

2. 刘德煊.高温沥青摊铺下混凝土箱梁桥面温度场及温度效应研究[D].导师：钱振东.东南大学,2017.

3. 诸洪.沥青摊铺高温作用下混凝土箱梁桥温度场及其效应研究[D].导师：赵华;邓继平.湖南大学,2016.

4. 陈海鹏.热沥青混合料桥面铺装对箱型桥梁温度效应的影响[D].导师：沈菊男;李新生.苏州科技学院,2015.

5. 章世祥,王溧,李波,刘钊.箱梁桥沥青摊铺温度实测及其顶板横向效应分析[J].中外公路,2014,34(01):301-303.