大跨度鋼箱梁橋面瀝青高溫同步攤鋪技術(shù)

劉詩迪LIU Shi-di；夏志華XIA Zhi-hua

（中鐵九局集團有限公司，沈陽110051）

0 引言

隨著我國不斷推進(jìn)綠色低碳理念，綠色低碳新材料技術(shù)也不斷取得新突破，作為典型的高強鋼已經(jīng)成功應(yīng)用于建筑工程建設(shè)中并得到廣泛推廣。隨之各類大跨徑鋼結(jié)構(gòu)橋梁為工程建設(shè)者所青睞，其優(yōu)勢越發(fā)凸顯。當(dāng)然，隨著鋼結(jié)構(gòu)橋梁的大量應(yīng)用推廣，鋼橋橋面的鋪裝施工質(zhì)量與人們生活也息息相關(guān)。在實際工程施工中，瀝青鋪裝材料鋪裝溫度一般均為160℃左右，而鋼箱梁的特性不僅是傳熱性能好，熱膨脹系數(shù)也高，這就導(dǎo)致施工時瀝青攤鋪料溫度過高極容易造成鋼橋面溫度驟增，為此引起鋼結(jié)構(gòu)整體產(chǎn)生內(nèi)力變化和溫度荷載，那么發(fā)生損傷橋梁結(jié)構(gòu)的可能性就增大。目前，諸如此類的事故頻繁發(fā)生，因此，應(yīng)高度重視鋼橋橋面高溫瀝青攤鋪料的施工技術(shù)及其引起的相應(yīng)鋼結(jié)構(gòu)溫度荷載的影響，有效避免鋼結(jié)構(gòu)橋面破壞問題。（圖1、圖2）

圖1 支座剪力螺栓拉斷

圖2 墊石被鋼擋塊擠碎

1 工程概況

由我單位承建的沈陽市長青街快速路工程，包括道路與橋梁工程，工程造價47890萬元，施工工期為360日歷天。其中，橋梁工程主線長約1970m，上跨泉園一路、泉園二路、泉園三路、文化東路等構(gòu)筑物，其連續(xù)梁部分的主要跨度分布為68m+108.5m+43m+103.5m+65m，總長388m。鋼箱梁橋面瀝青料攤鋪施工基本還都是采用瀝青料在高溫狀態(tài)下進(jìn)行施工的技術(shù)，環(huán)境溫度選擇范圍為140-160℃之間，可見瀝青料在高溫狀態(tài)下會導(dǎo)致鋼箱梁橋面溫度快速上升是必然結(jié)果，鋼箱梁橋面溫度變化就會產(chǎn)生梯度現(xiàn)象，直接導(dǎo)致強烈的溫度荷載作用下鋼箱梁發(fā)生溫度應(yīng)力集中和溫度變形。尤其在分左右幅施工時，常常會導(dǎo)致鋼梁呈“C”字型發(fā)生形變，當(dāng)形變超過橋梁支座所能承受的最大橫向位移時，就會導(dǎo)致支座剪力螺栓斷裂，破壞鋼結(jié)構(gòu)工程的安全質(zhì)量。因此，控制瀝青攤鋪施工技術(shù)與攤鋪施工溫度，對大跨度鋼箱梁橋面質(zhì)量，不僅意義重大也是關(guān)鍵所在。本文主要通過不斷試驗分析研究鋼箱梁支座在高溫瀝青鋪裝時受到溫度變化的影響變化規(guī)律，針對鋼結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生較大應(yīng)力應(yīng)變及其相應(yīng)連鎖產(chǎn)生鋼箱梁支座受剪損壞問題，總結(jié)形成切實可行的一套預(yù)防控制技術(shù)措施，從而保證鋼箱梁橋面施工質(zhì)量與安全及整體橋梁結(jié)構(gòu)的質(zhì)量與安全。

2 鋼箱梁橋面高溫瀝青同步攤鋪技術(shù)

2.1 施工環(huán)境溫度

常規(guī)的鋼箱梁橋面基層瀝青攤鋪施工，通常選擇環(huán)境溫度范圍在30~40℃之間的夏季，且施工時的環(huán)境溫度范圍在50~60℃之間；這樣基層瀝青攤鋪時產(chǎn)生的溫度場與環(huán)境溫度差別較小，以減少鋼箱梁表面初始溫差與瀝青攤鋪溫差較大的影響，降低鋼箱梁發(fā)生較大應(yīng)力應(yīng)變的可能性。

2.2 瀝青攤鋪方式

常規(guī)的鋼箱梁橋面基層瀝青攤鋪施工一般均采取由兩端向跨中同步進(jìn)行，并控制兩端攤鋪機施工速率，確保同速率施工。從而減小由單側(cè)攤鋪產(chǎn)生的溫度荷載引起的橋梁橫向位移。鋼箱梁的兩側(cè)對稱受到相同的瀝青攤鋪溫度荷載的影響，鋼箱梁受力更加均勻。

基層瀝青攤鋪過程中，必須定期監(jiān)控鋼箱梁的溫度場情況以及鋼箱梁的變形情況。當(dāng)鋼箱梁溫度場的溫差或者變形量超過設(shè)計值時，則減緩攤鋪速度或暫停攤鋪，鋼箱梁溫度與變形回復(fù)初始狀態(tài)后才能繼續(xù)攤鋪，直至完成基層瀝青攤鋪。

2.3 基層瀝青設(shè)計

基層瀝青需要選用以下3種鋪裝設(shè)計的任意一種：①常溫環(huán)氧瀝青；②高粘改性瀝青材料；③采用輕型混凝土加鋼筋網(wǎng)、剪力件鋪裝底層上層采用SMA13瀝青混合料。采用該3種材料的優(yōu)勢在于：①使用常溫環(huán)氧瀝青、改性瀝青材料或輕型混凝土隔熱層目的用于降低攤鋪溫度從而盡可能的減小基層瀝青的攤鋪溫度，以減小攤鋪溫度場對橋梁結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)。②采用環(huán)氧、高粘、輕型混凝土加鋼筋網(wǎng)剪力件保證鋪裝層有利于鋪裝材料與鋼板間協(xié)調(diào)變形，有效阻止鋪裝層的推移開裂。

2.4 瀝青攤鋪厚度

鋼箱梁橋面瀝青攤鋪厚度是鋼箱梁受熱產(chǎn)生溫度變化的關(guān)鍵因素，瀝青攤鋪厚度越厚，高溫瀝青混合料傳遞給鋼箱梁的溫度越高，并且鋼箱梁高溫狀態(tài)持續(xù)的時間也越長。因此，適當(dāng)減小鋼橋面瀝青鋪裝層的厚度，能有效改善鋼箱梁結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)。常規(guī)基層瀝青的鋪設(shè)厚度一般選取在2.5~3.5cm范圍內(nèi)，采用較小的攤鋪厚度也能夠有效降低瀝青的攤鋪溫度，從而減小攤鋪溫度場對鋼箱梁的溫度效應(yīng)，也就盡可能的減低高溫瀝青攤鋪施工對鋼箱梁應(yīng)力應(yīng)變的影響。

2.5 鋼箱梁溫度監(jiān)測

常規(guī)鋼箱梁溫度場監(jiān)控，主要采用紅外溫槍+熱電偶聯(lián)合測控技術(shù)。監(jiān)控部位集中在鋼箱梁的U肋斷面、鋼箱梁的頂板、腹板和底板處，并采取多點測溫方案。測溫點及熱電偶布設(shè)方案與要求詳見本文第3章節(jié)內(nèi)容。

3 鋼箱梁熱電偶布置及變形監(jiān)測

3.1 熱電偶布置

本工程選用J型熱電偶，并采用J型熱電偶+N19211熱電偶輸入模塊+cDAQ-9191單槽機箱組合使用技術(shù)方案，并且對熱電偶布設(shè)方案進(jìn)行明確要求。即在鋼箱梁相鄰兩個橫隔板上的熱電偶布設(shè)方式不能相同，如果其中一個橫隔板上的熱電偶采用了橫向布設(shè)方式，那么另一個橫隔板上的熱電偶就必須采用縱向布設(shè)方式，且相鄰的兩個橫隔板一般相距2m為宜。

當(dāng)總體采用豎向布設(shè)熱電偶方式時，針對熱電偶較多的具體情況，宜采取均勻布設(shè)在橫隔板兩側(cè)的方式，且宜分布于距瀝青攤鋪邊緣1/4位置處，具體布設(shè)如圖3所示。

圖3 熱電偶橫隔板上布設(shè)

當(dāng)總體采用橫向布設(shè)熱電偶方式時，針對熱電偶較多的具體情況，宜分別布設(shè)在鋼箱梁橫隔板兩端的攤鋪邊緣區(qū)域及距邊緣區(qū)域1/4位置處，具體布設(shè)如圖4所示。

圖4 熱電偶橫隔板上布設(shè)

施工中，瀝青攤鋪至邊緣位置處常常出現(xiàn)瀝青分布離散不均勻等現(xiàn)象，導(dǎo)致溫度梯度有差值現(xiàn)象發(fā)生，顯而易見，熱電偶在瀝青攤鋪邊緣處的設(shè)置數(shù)量，對能否準(zhǔn)確的測控鋼箱梁的溫度變化情況具有重要意義。

3.2 溫度監(jiān)測

本工程中主要對瀝青攤鋪區(qū)范圍內(nèi)鋼箱梁橋面溫度變化情況進(jìn)行測量，重點目標(biāo)范圍就是瀝青攤鋪區(qū)域中央的U肋區(qū)和橋面頂板的底面。測溫點布設(shè)應(yīng)覆蓋到鋼箱梁的頂部、腹板、底部及U肋，測溫點布設(shè)具體如圖5所示。需要強調(diào)的是U肋上的六個測溫點均應(yīng)布置在U肋的一側(cè)；針對瀝青攤鋪施工區(qū)中部橋面頂板進(jìn)行測溫時，測溫范圍集中在兩個相鄰U肋之間，測溫點布設(shè)具體如圖6所示（即圖中A、B、C、D、E、F、G）。

圖5 紅外溫槍U肋測點布設(shè)

圖6 紅外溫槍頂板測點布設(shè)

溫度監(jiān)測記錄頻次為每10min記錄一次數(shù)據(jù)，通過對測得數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，清楚掌握鋼箱梁的溫度變化實際情況。如鋼箱梁上溫度差值超過60℃時，必須暫?；驕p緩攤鋪施工，及時監(jiān)控各個部位鋼箱梁的溫度變化情況及溫差變化情況，預(yù)防鋼箱梁產(chǎn)生超大變形，直至溫差恢復(fù)至20℃之內(nèi)時，方可恢復(fù)瀝青攤鋪施工。

3.3 變形監(jiān)測

施工過程中，必須對鋼箱梁變形進(jìn)行定時監(jiān)測。本工程主要采用全站儀+全站儀反光片組合技術(shù)方案，先在監(jiān)測部位安設(shè)全站儀反光片，再利用全站儀進(jìn)行鋼箱梁的梁體位移量監(jiān)測，最后對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析并反饋指導(dǎo)施工?；鶎訛r青攤鋪時，監(jiān)測部位在鋼箱梁底部、端部及梁體支座處，且每個支座均應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測。監(jiān)測頻次為每20分鐘進(jìn)行一次監(jiān)測，且注意及時采集原始點坐標(biāo)值、及時記錄原始數(shù)據(jù)與監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時整理計算實際位移值。在瀝青攤鋪過程中，實測位移值接近或超過支座允許最大位移時，應(yīng)停止或減緩攤鋪施工，預(yù)防鋼箱梁的應(yīng)力應(yīng)變接近或超過允許值而剪短梁體支座螺栓，直至位移值恢復(fù)正常后，方可繼續(xù)攤鋪施工。

3.4 溫度傳遞阻隔

為有效預(yù)防和控制瀝青攤鋪施工高溫對鋼箱梁變形的影響，采取溫度傳遞阻隔也是一種積極有限的措施。在本工程大跨度鋼箱梁瀝青同步攤鋪施工中，通過在鋼箱梁上設(shè)置了防水材料，有效阻隔了高溫瀝青鋪裝料的溫度向鋼箱梁傳遞，同時通過在瀝青混合料配合比中引進(jìn)采用溫拌劑這種外加劑，或者改性瀝青類新材料，成功降低了瀝青攤鋪溫度，有效降低了鋼箱梁受高溫瀝青混合料攤鋪施工的影響。

4 創(chuàng)新點

4.1 基于熱傳導(dǎo)理論的兩幅同溫同向同步瀝青攤鋪施工方法

根據(jù)熱傳導(dǎo)理論，橋面瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)在自然環(huán)境中，橋面受到大氣輻射影響，相互之間存在熱交換現(xiàn)象發(fā)生。另外，鋼箱梁結(jié)構(gòu)與橋面結(jié)構(gòu)組合等內(nèi)部因素也存在著相互制約現(xiàn)象。因此，控制溫度變化同步，由鋼梁一側(cè)的左右兩幅同時開始基層瀝青的施工作業(yè)，并采取對稱的方式、相同的速率、同步施工。確保鋼箱梁橋面高溫瀝青攤鋪產(chǎn)生的溫度荷載對鋼箱梁的應(yīng)力應(yīng)變影響同步與均布。

4.2 基于ABAQUS熱耦合計算選用最優(yōu)鋪裝層的設(shè)計方法

利用ABAQUS軟件進(jìn)行熱耦合計算，選用最優(yōu)結(jié)構(gòu)鋪裝層，基層瀝青需要選用以下3種鋪裝設(shè)計的任意一種：①常溫環(huán)氧瀝青；②高粘改性瀝青材料；③采用輕型混凝土加鋼筋網(wǎng)、剪力件鋪裝底層上層采用SMA13瀝青混合料。采用該3種材料的優(yōu)勢在于：①使用常溫環(huán)氧瀝青、改性瀝青材料或輕型混凝土隔熱層目的用于降低瀝青混合料攤鋪溫度，即降低對鋼箱梁結(jié)構(gòu)的溫度變化影響。②采用環(huán)氧、高粘、輕型混凝土加鋼筋網(wǎng)剪力件保證鋪裝層有利于鋪裝材料與鋼板間協(xié)調(diào)變形，有效阻止鋪裝層的推移開裂。

4.3 基于熱成像法的溫度、位移實時監(jiān)控及測點布置方案

基于熱成像法對鋼箱梁結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度變化情況及鋼箱梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變情況進(jìn)行監(jiān)控量測，通過對檢測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，及時掌握鋼箱梁溫差及其變形量變化情況，必要時，需要采取暫?；驕p緩攤鋪施工措施，確保鋼箱梁溫度與形變保持穩(wěn)定狀態(tài)，直至完成基層瀝青攤鋪。

5 結(jié)束語

本文主要結(jié)合工程施工，通過研究分析在高溫瀝青混合料攤鋪過程中鋼箱梁橋面的溫度場情況、鋼結(jié)構(gòu)變形情況及鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變的變化情況，進(jìn)行提前預(yù)防并采取有效措施控制高溫瀝青鋪裝施工時產(chǎn)生的溫度荷載。主要采取科學(xué)的方法進(jìn)行理論模型模擬加數(shù)據(jù)分析，了解掌握了鋼箱梁橋面瀝青混合料攤鋪施工期間鋼結(jié)構(gòu)橋面內(nèi)部的溫度產(chǎn)生、傳遞等變動規(guī)律；了解掌握鋼箱梁橋面因溫度變化而產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變及對鋼箱梁支座產(chǎn)生的受力、位移等變化規(guī)律；并總結(jié)提出一套切實可行的預(yù)防控制措施，有效防控鋼箱梁橋面高溫瀝青攤鋪施工產(chǎn)生過高溫度造成對鋼箱梁支座局部破壞的可能性與嚴(yán)重性，確保鋼箱梁橋面鋪裝施工質(zhì)量與安全和橋梁結(jié)構(gòu)安全。

①通過本工程大跨度鋼箱梁瀝青橋面同步攤鋪施工，采取了在鋼箱梁上設(shè)置防水材料，有效實現(xiàn)了阻隔高溫瀝青攤鋪料在施工過程中向鋼箱梁表面進(jìn)行溫度傳遞。同時，在瀝青混合料配合比中引進(jìn)采用溫拌劑這種外加劑，或者改性瀝青類新材料，成功降低了瀝青攤鋪溫度，有效降低了鋼箱梁受高溫瀝青混合料攤鋪施工的影響。

②在本工程鋼箱梁橋面瀝青料鋪裝攤鋪施工中，制定了有效的鋼箱梁溫度場監(jiān)控方案。主要采用紅外溫槍+布設(shè)熱電偶等監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行鋼箱梁溫度變化及溫度荷載情況測控，實測溫差或溫度荷載達(dá)到或超過設(shè)定參數(shù)時，停止或減緩瀝青攤鋪施工；同時，采用全站儀+全站儀反光片對鋼箱梁梁體支座變形情況進(jìn)行定期監(jiān)控測量，一旦發(fā)現(xiàn)鋼箱梁梁體支座的實際位移量達(dá)到設(shè)計最大值時，立即停止或減緩攤鋪施工。

③經(jīng)過試驗得出，在鋼梁攤鋪溫度溫度140℃時，既能保證瀝青攤鋪質(zhì)量，又能降低鋼梁攤鋪初始溫度。保證鋼梁溫度變形不至過大，因此，加入溫拌劑（SMC）使常規(guī)瀝青攤鋪溫度降低20℃，同時，可使道路提前成型，有利于道路提前通車，節(jié)約工期約20%，以瀝青攤鋪20天計算可節(jié)約工期4天。因此，以長青橋為例節(jié)約人工+機械費用+管理費-溫拌劑費用約為1.5萬元。同時，因攤鋪為兩側(cè)同時進(jìn)行，因此，節(jié)約工期50%，算可節(jié)約工期8天，節(jié)約管理費43余萬元。與傳統(tǒng)施工技術(shù)相比，因單側(cè)攤鋪，嚴(yán)重者可造成支座剪力螺栓斷裂，導(dǎo)致鋼箱梁支座損壞而造成損失極大。若使用同步瀝青攤鋪技術(shù)，則可省去后期每個支座剪力螺栓更換材料（每個支座約為1萬元）、人工（更換一個支座需5人5天）、機械費用（采用同步頂升智能千斤頂進(jìn)場費用2萬元），預(yù)計總計可節(jié)約7.5萬余元。

④本工程對以后類似工程的大跨度鋼梁高溫瀝青攤鋪提供了理論支撐和寶貴經(jīng)驗，具有廣泛的應(yīng)用前景及推廣意義。