大跨度钢箱梁高温沥青同步摊铺影响因素分析与应用

大跨度钢箱梁高温沥青同步摊铺影响因素分析与应用

贺浦

中铁九局集团第四工程有限公司 辽宁 沈阳 110013

摘要：钢桥面铺装在实践中被广泛采用，这是随着大跨度钢结构桥梁的普遍出现。在实际工程中，沥青铺装材料的铺装温度在 160 ℃左右，钢结构桥梁的钢材是一种传热性能较好的材料， 具有较高的热膨胀系数，因此沥青铺装材料施工温度过高，极易导致铺装温度急剧升高，从而导致结构内力和温度在整个结构中发生较大的变形，这种潜在因素是由于钢结构桥梁的钢结构中的钢结构有可能造成桥体结构受损。要注意高温摊铺施工工艺对钢桥面的影响，避免钢结构桥梁变形过大、结构内力过大甚至因摊铺工艺不当而受损。

关键词：大跨度；桥梁结构；沥青摊铺；受力变形

1工程实例介绍

沈阳市长青街快速路工程，第五联、第十二联为钢箱梁双层SMA沥青摊铺，在摊铺时发生了变形，十二联为例，支座及钢梁分段如下图1：

图1支座及钢梁分段图

项目采用常规摊铺方案，以防撞墙为界进行单幅摊铺，另外一侧进行车辆导行。摊铺区域为红色区域，整体钢梁呈C字型向箭头方向变形，变形量分别为9cm和8.2cm。

当铺装另外一侧沥青时，钢梁呈C字型向相反方向变形，变形量为7cm和10cm。变形量超过支座最大变形量4cm，导致支座剪力螺栓被拉坏。支座垫石挤压变形。

    该状况发生后，查阅资料，发现全国均有类似情况发生，如重庆某大桥钢桥面铺装项目，在浇注式沥青混合料摊铺过程中就出现过由于钢梁温度大幅上升，从而产生了较大的温度变形和结构内力，直接导致桁架梁的一个钢螺栓拉断的后果。

目前类似事故频繁出现，因此，需要重视高温摊铺施工工艺对钢桥面的变形和受力的影响，避免由于摊铺工艺不当造成钢结构桥梁出现过大的变形和结构内力甚至破坏情况。

2 钢梁温度影响因素分析

对于不同的常见摊铺条件下的钢箱梁，为了探究常见的各种温度影响因素对钢箱梁温度的影响规律，我们将研究它们的温度升降规律，并将计算结果进行比较。由于整条梁的温度上升主要集中在桥面板和U肋部分，梁底和腹板的温度变化不大， 因此，温度变化时，主要输出桥面板的变化曲线及相应点的U肋。根据图示2位置输出点的位置进行判断和研究。

图2测点分布情况示意图

2.1不同初始温度的影响分析

从早晨八点开始，开始铺装的6个小时里，我们对梁体温度的变化进行了测算。这个时段是梁体温度变化最剧烈的时段。采用梁体初始温度在10℃和32℃时各测点不同时间的温度数值如下图表3-4：

图3梁体初始温度32℃温度变化曲线       图4梁体初始温度10℃温度变化曲线 

观察图表可以发现，在不同初始温度进行铺装施工时，气温变化的趋势也是大同小异的，并没有太大的差异。在初始温度不同的情况下，最高温度和温度变化温差有所区别，初始温度在10℃施工时最高气温达110℃，较施工前上升100℃。初始温度在32℃施工时最高气温达120摄氏度，较施工前上升88摄氏度。从绝对值上看，初始温度在32℃时梁体温度较高，但冬初始温度在10℃梁体温度差要大一些。

2.2不同铺装厚度的影响分析

由于设计上的差异，铺装厚度并不统一，一般在3厘米到4厘米之间会出现底层铺装厚度变化的情况。整体热量也会因厚度不同而有所差别。研究第一层沥青在铺装厚为3厘米、3.5厘米、4厘米时的温场分布情况，并对铺装厚度对梁体温度变化的影响进行了研究。早上8点开始摊铺施工，一共6个小时。具体测算结果见图表5-7。

  图5铺装3cm跨中温度曲线图 图6 铺装3.5cm跨中温度曲线图

图7 铺装4cm跨中温度曲线图

从图中所示趋势看，气温峰值上升，并随着铺装厚度的增加而不断增长。一般情况下，高温越不利于结构的作用力。

2.3不同摊铺温度的影响分析

由于沥青铺装混合料在施工设计摊铺温度上的差异，会导致梁体温度的差异。一般情况下，沥青摊铺温度在170~240℃之间变化，通过对沥青铺装温度在170、210℃情况下的温度差情况，探究沥青初始摊铺温度不同对钢箱梁温度场造成的影响。同样，为了方便对比，其他参数与之前保持一致。结果如下图8-9:

图8  170℃摊铺跨中温度图9 210℃摊铺跨中温度

从图中可以看出，温度升降规律基本不变，但是摊铺温度的高低将会直接影响到钢箱梁最高温度的高低，影响梁体最大温差的形成，产生温差应力。

3钢箱梁C字变形、支座剪力螺栓拉断原因分析

（1）采用分幅摊铺方式，在高温摊铺作用下，摊铺区域钢桥面板在高温沥青覆盖下温度明显急剧升高，产生热胀冷缩效应，由于温度传导需要时间，在加上传导过程中外露钢箱梁与环境温度进行热交换，导致未摊铺区域温度上升较慢，因此形成温度差，对梁体产生内部应力。

（2）初始温度影响，常规沥青摊铺温度在170℃-240℃之间，初始摊铺温度越高，钢箱梁本身温度越低，因沥青摊铺产生的温度差越大，产生的梁体内部应力越大。

（3）温度累计形成较大温度差，随着沥青摊铺进行，沥青对钢梁的温度传导越多，大于钢梁与外界环境的热交换量，因此产生的累计热能增加，因此产生的钢材本身的因温度变化产生的变形增加导致梁体变形。

因此如何控制大跨度钢箱梁沥青摊铺温度差，成为解决问题的关键之处。

4大跨度钢箱梁高温沥青同步摊铺方案

（1）同步进行铺设基层沥青：采用两台摊铺机两侧对称同步进行沥青摊铺，摊铺时控制两台摊铺机行进速率，使两台摊铺机保持同步进行；从而减小由单侧摊铺一侧温度荷载造成的桥梁横向位移，使钢箱梁的两侧受到相同的沥青摊铺温度的影响，使得钢箱梁受力更加均匀。

（2）减少钢箱梁与铺装沥青温差：基层沥青摊铺时选择温度较高时进行施工，或者在钢箱梁内部采用热风幕对梁体进行加温，使施工环境温度范围在30℃~40℃之间，同时在沥青中加入温拌剂，使用温拌剂可降低拌和、摊铺、压实温度30～60℃，直接降低摊铺温度，这样基层沥青摊铺时候产生的温度场与环境温度差别较小，以减少钢箱梁表面与摊铺沥青温差，使桥梁不易发生较大形变。

（3）减小基层沥青的铺装厚度：钢箱梁受热产生的温度场与沥青摊铺厚度有关，铺装层厚度越厚，钢板表面所达到的最高温度越高，且钢板表面维持在高温段的时间也更长，控制基层沥青的铺设厚度为2.5cm~3.5cm，采用较小的摊铺厚度能够进一步减小沥青的摊铺温度，减小摊铺温度场对钢箱梁的温度效应，尽可能的保证钢箱梁在沥青摊铺时不会受温度影响而发生变形。

（4）监控钢箱梁的温度场：在基层沥青摊铺时，监控钢箱梁的温度场情况以及钢箱梁的变形情况，若钢箱梁的温度场的温差或者变形量超过设计值时，则减缓摊铺，待钢箱梁温度下降、钢箱梁变形归位后继续摊铺，直至完成基层沥青摊铺。

监控钢箱梁的温度场的操作具体如下：利用红外温枪对钢箱梁的U肋断面、箱梁顶板、腹板和底板进行测温。利用红外温枪对钢箱梁的U肋断面、钢箱梁的顶板、腹板和底板进行多点测温。钢箱梁上设有多个横隔板，多个横隔板沿钢箱梁的长度排布；在钢箱梁上的每个横隔板上均布置有热电偶，每个横隔板上设置多个热电偶，以测量钢箱梁的温度场。在钢箱梁上任意两个相邻的横隔板上，设置两组不同排布方式的热电偶，以测量钢箱梁的温度场，当钢箱梁上温度场的温度梯度超过60℃温差时，则暂停摊铺，待温差下降至20℃后继续进行。

（5）进行钢箱梁的位移监控：记录基层沥青摊铺前后，钢箱梁伸缩缝处横桥向、顺桥向初始位置和摊铺过程中的监测值，在基层沥青摊铺时进行数据采集，对比梁体支座横向最大位移、竖向最大位移，当位移值接近横向或竖向的最大位移量时，停止摊铺，待温度下降，位移归位后再进行摊铺。

监控钢箱梁的变形情况操作如下：在基层沥青摊铺前，在钢箱梁底部安装全站仪反光片，利用全站仪进行钢箱梁的梁体位移量监测，在钢箱梁的梁体支座及钢箱梁的端部安装反光片，每个梁体支座附近至少1个反光片，在摊铺前采集原始点坐标，沥青摊铺时，每20min进行一次监测，记录原始数据，监测数据，监测数据与原始数据的差值为实际位移值，对比所述实际位移值与梁体支座横向最大位移量、竖向最大位移量，当所述实际位移数值接近支座横向最大位移量、竖向最大位移量时，停止摊铺，避免钢箱梁进一步发生形变而损坏梁体支座，等待梁体支座归位后，再进行摊铺。

总结语：

城市快速发展，为了保证尽快通车，大跨度钢箱梁的应用越来越广泛，较少铺装层的养护时间也变得更重要，高温沥青铺装层对比常温环氧沥青层的应用能在降温后快速开通，同时如何减少因高温沥青摊铺温度引起梁体变形变得越来越重要，采取本文方案，长青街高架桥后续施工成功避免了因为钢箱梁高温沥青摊铺引起温度场导致钢箱梁内部结构及支座的损坏，也提高了施工时桥梁的安全性保证了施工质量。

参考文献

[1]沈锐利,杜明峰,蒋雨骎.双箱单室钢箱梁摊铺沥青混凝土时的温度荷载模式[J].铁道建筑,2019,59(04):38-43.

[2]金成. 高温浇筑铺装下南京长江大桥钢桥面板温度效应分析[D].南京林业大学,2020.

[3]崔晨光. 同步摊铺混合料粘层油及施工工艺研究[D].北京建筑大学,2018.