高溫季節(jié)鋼桁梁懸索橋鋼橋面鋪裝層溫度場試驗研究

焦永寶，郭加付，喬 鋼，陳 釩，楊川琦，曾 勇*

1中電建路橋集團有限公司，北京 100048 2西南交通大學 土木工程學院，成都 610031

0 引言

鋼桁梁懸索橋具有跨越能力強、承載能力強、剛度較大和橋位要求簡單等特點,逐漸成為了跨越山區(qū)V形山谷的主選方案之一[1-2].用于鋼橋面板鋪裝材料的瀝青混合料是一種典型的溫度敏感性材料，鋪裝層的溫度會隨外界環(huán)境的變化而變化，使用性能亦隨其溫度的變化而變化[3].在高溫季節(jié)下,若橋面系溫度過高,且無法及時釋放,將會產生較大的溫度荷載,對鋪裝層和鋼橋面板的路用性能和使用壽命容易造成不良影響[4].此外,鋼橋面結構環(huán)境場的研究是橋梁結構研究的一個重要部分,其中溫度場是鋼橋面結構環(huán)境場最為重要的因素之一.因此,對鋼桁梁懸索橋橋面鋪裝層溫度場的研究顯得尤為重要.

縱觀國內外學者關于鋪裝溫度場的研究,學者們對道路、鋼箱梁橋以及水泥混凝土橋等的鋪裝層溫度場研究頗多.康海貴等[5]人利用溫度實測數(shù)據對瀝青路面的溫度場分布規(guī)律進行了回歸分析,并給出了相應的預估模型;英國學者Jones[6]采用一維模型對鋼箱梁橋面板溫度場進行了計算;沈聰?shù)萚7]人使用Abaqus有限元軟件建立了某鋼橋面鋪裝層及鋼箱梁的簡化模型,并進行了數(shù)值求解;游慶龍等[8]人利用溫度實測數(shù)據對水泥混凝土橋面鋪裝層溫度場分布規(guī)律進行了研究,得出了橋面鋪裝層溫度場與大氣溫度和鋪裝層厚度之間的關系.

然而,相關學者對于高溫季節(jié)條件下鋼桁梁懸索橋鋼橋面鋪裝層溫度場的研究較少,對于其鋪裝溫度場分布規(guī)律尚不明確.因此,本文依托筍溪河特大橋工程,針對高溫季節(jié)下鋼桁梁懸索橋鋼橋面鋪裝層溫度場分布特征進行試驗研究,摸清其溫度場分布特征,建立高溫條件下大氣溫度和鋪裝層溫度的聯(lián)系,為同類鋼橋面鋪裝層溫度場相關研究提供參考依據.

1 工程概況

筍溪河特大橋是重慶江津至貴州習水高速公路的控制性工程,橋長1 578 m,主線全線采用雙向四車道高速公路標準,橋面全寬24.5 m,左右幅分離.該橋主纜跨徑布置為215 m + 660 m + 268 m,矢跨比為1/10,橋面系為正交異性鋼橋面系,結構體系為地錨式單跨鋼桁架加勁梁懸索橋.主橋鋼橋面行車道的鋪裝層總厚度為75 mm(不含防水層),鋪裝層結構組合為35 mm的下面層澆筑式瀝青混凝土GA-10和40 mm的上面層高彈改性瀝青SMA-10,防水粘結層采用甲基丙烯酸樹脂.

2 試驗方案

2.1 測點布置及傳感器安裝

由于現(xiàn)場條件的限制,選取筍溪河特大橋左幅橋面距習水方向200 m左右的位置作為鋪裝層溫度場測試試驗工點.在鋪裝層中埋入智能溫度傳感器實時測量鋪裝各層溫度,并利用無線自動化綜合測試系統(tǒng)對溫度場數(shù)據進行長期不間斷地采集、傳輸和存儲.

溫度傳感器為智能溫度傳感器,量程為-20 ℃ ～ 260 ℃,精度為 ± 0.5 ℃,鋪裝層內溫度傳感器的安裝位置如圖1所示.第一組溫度傳感器安裝在下面層澆筑式瀝青混凝土GA層內,第二組溫度傳感器安裝在上面層SMA層內,通過溫度傳感器探頭測定鋪裝層內不同深度處的溫度.

圖1 溫度傳感器埋設位置橫斷面圖Fig.1 Temperature sensors embedded position cross-sectional view

溫度傳感器埋設采用的是先埋法,邊施工邊埋設[9].施工現(xiàn)場環(huán)境復雜,容易影響到傳感器的存活率,因此,溫度傳感器安裝到位后,一定要做好充分的防護措施,防止鋪裝施工時對傳感器造成損壞.同時,考慮到橋面鋪裝層直接承受汽車等外部荷載作用,也會對溫度傳感器造成影響,為了保證溫度傳感器的存活率以及溫度實測數(shù)據的精確性,對溫度傳感器采取了冗余布置[10],并且還在適當?shù)奈恢冒惭b了專門用于測量大氣溫度的溫度傳感器.兩組溫度傳感器布置現(xiàn)場照片如圖2所示.

(a) 第一組溫度傳感器(a) The first set of temperature sensors

(b) 第二組溫度傳感器(b) The second set of temperature sensors

2.2 觀測時間及內容

為了觀測高溫季節(jié)下筍溪河特大橋鋼橋面鋪裝層內各層溫度,得到鋪裝層溫度場分布規(guī)律以及最高氣溫與鋪裝層內各層最大溫度之間的相關性關系,選取溫度較高的7月份和8月份對高溫季節(jié)溫度場進行連續(xù)觀測.實測的溫度數(shù)據主要包括GA鋪裝下層各測點溫度、SMA鋪裝上層各測點溫度以及大氣實時溫度.

3 溫度場觀測結果分析

3.1 鋪裝層內溫度場分布規(guī)律

通過對7月份和8月份的大氣溫度觀測結果進行分析,發(fā)生溫度較高日期主要集中在8月份.最后選取8月份較為典型的3 d溫度觀測數(shù)據進行研究.這3 d的最高氣溫分別為34.4 ℃,36.9 ℃,36.9 ℃.

通過溫度觀測數(shù)據分析,得到了夏季高溫天氣條件下鋼桁梁懸索橋鋼橋面鋪裝層內各層溫度變化與大氣溫度變化之間的關系如圖3所示.

根據溫度曲線圖(見圖3)可知,一般情況下,鋪裝層內各層溫度變化規(guī)律與大氣溫度變化規(guī)律基本一致,呈周期性變化;同一天內,鋪裝層內溫度先逐漸減小,再逐漸增大,然后再逐漸減小,升溫時間明顯短于降溫時間;鋪裝層內不同深度出現(xiàn)最高溫度的滯后現(xiàn)象不明顯,幾乎同時達到最高溫度,但較于大氣最高溫度的出現(xiàn)滯后了1 h～3 h;同一天內,GA層內最大溫差最大,SMA層內最大溫差次之,大氣最大溫差最小,說明GA層內溫度變化幅度較大,波動性較強;鋼橋面鋪裝層內的最大溫度作用位置產生在鋪裝下層GA層內.

(a) 典型曲線1(a) Typical curve 1

(b) 典型曲線2(b) Typical curve 2

(c) 典型曲線3(c) Typical curve 3

3.2 最高氣溫與鋪裝層內各層最高溫度相關性分析

采用數(shù)理統(tǒng)計方法分析最高氣溫與鋪裝層內各層最高溫度的相關性.根據實測的路面溫度數(shù)據,結合氣象資料,通過回歸分析建立最高氣溫與鋪裝層溫度之間的關聯(lián)公式.

通過對大氣溫度與鋪裝層內各層溫度在7,8月的連續(xù)實測,從中選取天氣晴朗且大氣溫度較高日期的溫度觀測數(shù)據作為分析對象,共計15 d.利用SPSS統(tǒng)計分析軟件對采集到的日最高氣溫ta與SMA層內日最大溫度tS,GA層內日最大溫度tG分別進行擬合回歸分析[11],結果如圖4,圖5所示.

圖4 最高氣溫ta與SMA層內最大溫度tS關聯(lián)圖Fig.4 Correlation diagram of the highest air temperature taand the maximum temperature tS in SAM layer

圖5 最高氣溫ta與GA層內最大溫度tG關聯(lián)圖Fig.5 Correlation diagram of the highest air temperature taand the maximum temperature tG in GA layer

由圖4可知,SMA層內最大溫度與最高氣溫之間具有良好的相關性,相關系數(shù)R2=0.953,呈正相關,關聯(lián)計算式為:tS=-105.2+7.04ta-0.08ta2.

由圖5可知,GA層內最大溫度與最高氣溫之間具有良好的相關性,相關系數(shù)R2=0.929,呈正相關,關聯(lián)計算式為:tG=-117.6+7.84ta-0.09ta2.

通過上述2個關聯(lián)式,用當日最高氣溫來預測鋼桁梁懸索橋鋼橋面鋪裝層內各層最大溫度,為橋面鋪裝設計提供參考依據.

4 結論

本文對高溫季節(jié)下鋼桁梁懸索橋鋼橋面鋪裝層內的溫度進行了現(xiàn)場測試,并對其溫度場、各鋪裝層內最大溫度和最高氣溫的相關性進行了研究分析,得出以下結論：

(1) 鋼橋面板鋪裝層內各層溫度變化趨勢與大氣溫度變化趨勢基本保持一致,呈周期性變化,說明大氣溫度變化對鋪裝層內溫度有較大影響.

(2) 鋪裝層內各層溫度幾乎同時達到最大值,滯后現(xiàn)象不明顯,但較于大氣最高溫度的出現(xiàn)時間滯后1 h～3 h.

(3) 鋪裝層內最大溫度出現(xiàn)于下面層GA層內,說明GA層吸收熱量較多,溫度較高,而鋼橋面板下部由于通風散熱條件較好,溫度不高,因而GA層與鋼橋面板會形成較大溫差,容易產生較大的溫度應力.因此,需嚴格加強GA層和鋼橋面板界面粘結,以免對鋪裝層和鋼橋面板的使用性能和服役壽命造成不良影響.

(4) 鋼橋面鋪裝層內各層最大溫度與最高氣溫之間具有良好的相關性,可通過大氣最高溫度來預測鋼橋面鋪裝層內各層的最高溫度.