水泥混凝土桥面自破冰铺装温度场分析.pdf

B r i d g e a n dI k n me l Ma c h in e 桥 r y C 机 on械s t r u c & fi o n 施 T e 工 c h n 技 o l o g y RM CM 1 - 水 泥混凝 土桥 面 自破 冰铺装 温度 场分 析 Ana l y s i s o n Te m pe r a t ur e Fi e l d o f S e l f I c e - - br e a ki ng Pa v e m e nt of Ce m e nt Con - c r e t e Br i dg e 曹海波， 陈团结， 陆晶晶， 赵明， 雷宇 C AO H a l b o ， CHE N T u a n j i e ， L U J i n g j i n g ， Z H AO Mi n g ， L E I Y u 中 交 第 一 公 路 勘 察 设 计 研 究 院 路 面 所 ， 陕 西 西 安 71 0 0 7 5 FHCC-Pavem ent St r uct ur e and M a t er i al l ns t it ut e， Xi an 71 0075，Shaanxi ，Chi na 【 摘要 】 为了解水泥混凝土桥面 自破冰铺装结构层的温度场分布 ， 运用数值 分析方法 ， 建立有限元模 型， 对T 形梁和 箱 形梁 这 两 种典 型 形式 桥 梁 的桥 面 自破冰 铺 装 结构 进 行 了温度 场 分析 。结 果发 现 ， 梁 体对 铺 装层 具 有 明显 的保 温 作 用 ， 这 为桥 面 自破 冰 铺 装材 料 的设计 提供 了依据 【 Ab s t r a c t】 T o k n o w t h e t e mp e r a t u r e f i e l d d is t r i b u t i o n o f t h e s e l f i c e b r e a k i n g p a v e me n t s t r u c t u r e o f c e me n t c oncr et e br i dge， f i ni t e el em ent m odel w as bui lt w i t h num er i cal analysi s m et hod， and bot h t he T t ype gi r der and box gi r der w er e sel ec t ed sepa r a t el y t o anal yz e t he t em per a t ur e f i eld of t he i ce br eaki ng pa ving st r uct ur e I t i s p o i n t e d t h a t t h e g i r d er s t r u c t ur e h a s a n ob v i o u s i n s ula t i on e f f ec t ， w h i c h pr o vide b a s i s f or t h e d e s i g n o f t h e s e l f ic e b r e a k i n g m a t e r i a l on t h e d e c k 【 关键 词 】 水 泥混 凝 土桥 ； 自破 冰 ； 温度 场 ； 有 限元 【 Ke y wo r d s】 c e me n t c o n c r e t e b r id g e ； s e l f i c e b r e a k i n g ； t e mp e r a t u r e f ie l d ； f i n i t e e le me n t 中 图 分 类 号 ： U4 4 3 3 3 文 献 标 志 码 ： B 文 章 编 号 ： 1 0 0 0 - 0 3 3 X( 2 01 1 ) 1 1 0 0 7 9 - 0 3 0 引 言 桥 面 自破 冰 防滑铺 装是 一种环 保 型 的破冰 铺装 结构 通过 在 已有桥 面铺 装上 加铺 一层 自应 力破 冰结 构层 ， 利 用 铺装 在外 荷载 作用 下产 生 的 自应 力 ，使 冰 雪破碎 融化 从 而保 证 行驶 车辆 在桥 面 结冰 后 的行 车安 全 。 温度 是 决 定桥 面 自破 冰 铺 装材 料 使用 性 能 的重 要 因素 ，尤其 是 在 低温 条 件 下 ，桥 面 铺 装 温度 场 的变 化直 接 影 响桥 面 覆冰 的产 生 及 发展 因此 对桥 面 自破 冰 铺装 结 构 的温 度 进行 研 究 和 探 讨 很 有 必 要 本 文选 取T 形 梁 和 箱 形 梁 两 种典 型形 式桥 梁对桥 面 自破冰 铺 装 结构 进 行温 度场 分析 。 1 模型简 化及 参数 桥 梁 内部 结 构 的 温 度 场 主 要 受 到 内外 两 方 面 的影 基 金 项 目 ： 陕西 科 技 计 划 项 目工业 攻 关 基 金 项 目( 2 0 1 0 K0 7 1 6 ) 响 ， 外 因主要 包括 ： 气 温 、 太 阳辐 射 、 风 、 蒸 发 耗 热等 ； 内因 主 要包 括 ： 初 始 温 度 、 温 度 梯 度 、 材 料劲 度 模 量 及 温度 收 缩 系数 、 铺 装 结构 等 。 为 了有 效地 分 析桥 面 自破冰 铺 装 的 温度 场 分布 本文 通过 简 化桥 面 结 构并 建 立有 限 元模 型 ， 进 行 数值 求 解 。 1 1 基 本 假 定 水泥 混凝 土 桥 面 自破冰 防滑铺 装 是在 已有桥 面铺 装 上加 铺一 层 自应 力破 冰 结 构层 ，本 项 目针 对 这种 结 构层 初 步 提 出 了一种 方案 ， 即利用 粘 结材 料 、 填 料 以及 橡胶 颗 粒 混 合铺 装0 5 1 0 c m厚 橡胶 弹性 层 后 ， 在 其上 面 加铺 一 层 l 2 c m磨 耗 层 l 3 l。依 据 提 出 的桥 面 自破 冰 防 滑铺 装 结 构 方 案 不 考虑 桥 面铺 装 体 系 中的 防水层 ， 桥面 铺 装体 系 由水泥 混 凝 土桥 面板 、沥青 混凝 土 铺装 和 自破 冰 防 滑铺 装 组成 桥 面铺 装体 系结构 组 合如 图1 所 示 。 为 了对桥 面 铺装 的 温度 场 分布 进行 模 拟计 算 ，根 据 水泥 混 凝 土桥 面铺 装 层 的实 际情 况 ，对 混凝 土 梁桥 体 的 传 热 作 如 下简 化假 定 E 。 8 6 4 2 面 0 跟 2 4 6 8 rl l鬻 J 帅 - m 7 4 图S箱 梁 桥 面 自破 冰 铺 装 温 度 变 化 趋 势 ( 1 )T 梁 结 构 与 箱 梁 结 构桥 面 自破 冰 铺 装 的 温度 场 分布 趋 势相 似 。 ( 2 )在整 个 混凝 土 桥 面 自破 冰 铺 装 体 系 中 ， 铺 装 层 表 面 温 度 变 化 幅 度 最 大 ， 均 出 现 了 最 高 温 度 和 最 低 温 度 ， 说 明梁 体 对铺 装 层具 有 明 显 的保温 作 用 。 ( 3 )随着 铺 装 层 表 面 向下 深 度 的增 加 ， 温 度 变 化 的 幅度 逐 渐减 小 同时 达 到最 低 温度 和最 高 温度 的时 间逐 渐 向 后推 移 ， 在 铺 装 层 表 面 与铺 装层 底 面 ， 相 位 差 约 为4 h： 在 低 温 条件 下 铺 装层 顶 面 温 度 在 1 0 ： 0 0 左 右 上 升 速度 最快 ， 在 1 8 ： 0 0 左 右 下 降最 快 。 ( 4 )考 虑 低 温 情 况 ， 铺 装 层 表 面 达 到 最 低 温度 的 时 间在 0 4： 0 0 左 右 。而 且 在 前后 2 4 h 内铺 装层 始 终 处 于低 温 状 态 ( 5 )桥 面 自破冰 铺装 温 度积 累较 小 ， 温度 变化 较 大 ， 对铺 装 材料 的温度 疲 劳 要 求较 高 ， 因此在 进行 桥 面 自应 力破 冰 铺 装材 料 设计 时 应考 虑 温度 的影 响 。 由于混 凝 土 为热 的 不 良导体 ， 热 量在 其 问传 递 缓 慢 ， 温度 波从 铺 装 层 表 面传 到 铺 装 结 构 内部 需要 一定 时 间 ， 所 以铺 装层 内部 温度 变 化滞 后 于外 部 温度 变化 。随着 热 量 在 铺 装 层 内部传 递 ， 能量 不 断 耗 散 ， 到达 铺 装 底 层 时 ， 其温 度 变化 梯 度 要 比铺 装表 面 温度 降低 很 多 。 2 2 桥 面铺 装 结构 温 度场 对 比 通 过 前 面 的论 述 可 以看 出 ， T 梁 和 箱 梁 两 种 不 同结 构桥 梁 的桥 面 自破 冰 铺 装温 度场 在 总体 变化趋 势 上 存在 一 定 的相 似 之 处 ， 但 由于 桥 面 主体 结构 的不 同 ， 桥 面 自破 冰 铺 装 温 度 场 必 然 存在 一 定 的差 异 。T 梁 和 箱 梁桥 面 自 破 冰 铺 装温 度 对 比如 图6 所 示 。 从 图6 中 可 以看 出 ， T 梁 与 箱 梁 两种 桥 梁 结 构 桥 面 铺 装 的温度 场 发 展趋 势相 似 ， 在 同样 的 外界 条件 下 ， 铺 装层 表 面 温度 的变化 差 别极 小 ，这是 由于 铺 装层 表 面 最接 近 外 界 气 温 条件 ，温度 随气 温 条件 的变 化 而迅 速 变 化 ； T 梁 结 构铺 装 底层 的温度 变化 要滞 后 于 箱梁 结构 ，相位 差 桥隧 机械 & 施工技 术 B fid g e a n d T u n n e l Ma c h in e r y& Co n s t r u c t i o n T e c h n o l o g y 6 4 2 0 一 4 6 培 T 。一 梁铺装表面温度 一 箱梁铺 装底层 温度 一 T梁铺装底层温度 一 V时 “ 、 图 6 T粱 与 箱 梁 桥 面 铺 装 温 度 对 比 约 为2 h， 并 且 温 度 分布 变 化 幅 度 ( 即变 温 速 率 ) 较 大 ， 在 降温 过 程 中 ， 铺装 层 底部 的温度 大于 箱 梁 结构 ， 这主 要 是 由于 箱 梁 中有 空气 作 为 隔热 层 ， 阻 挡 了热 量 的 向下传 递 。 3 结 语 ( 1 )T 梁 与箱 梁两 种桥 梁结 构桥 面 自破 冰铺 装 的温度 场发 展趋 势 相似 ： 随着 铺 装层 表 面 向下 深度 的增 加 ， 温度 变化 的幅度逐 渐减 小 ， 同时达 到极值 温度 的 时间逐 渐 向后 推 移 说 明梁体 对铺 装层 具有 明显 的保温作 用。 ( 2 )T 梁 结构桥 面 自破 冰铺 装 底层 的温 度 分布要 滞后 于 箱 梁结 构 ； 在 降 温过 程 中 ， 自破 冰 铺 装层 底 的温 度 要 大 于 箱 梁 结构 ， 这主 要 是 由于箱 梁 中 空气 作 为隔 热层 ， 阻挡 了热量 的传递 ( 3 )桥 面 自破 冰 铺 装 温度 积 累较 小 ， 温度 变化较 大 ， 因此 对铺 装 材料 的温度 疲 劳要 求 较 高 ，在 进 行桥 面 自应 力破 冰铺 装 材料 设计 时应 考虑 温度 的影 响 。 叁查塞查 墨 ； 1 刘红瑛， 郝培文 道路除冰雪技术及其发展趋势口 筑路机械与 施工机械化， 2 0 0 8 ， 2 8 ( 1 1 ) ： 1 8 2 1 2 王联果， 张建华， 刘 洋冰雪路面冻滑抑制的技术对策 J 公路 交通技 术， 2 0 0 8 ( 3 ) ： 2 8 3 2 3 谭忆秋， 周纯秀 橡胶颗粒路面抑制冰雪技术J 筑路机械与施 工机械化 ， 2 0 0 8 ， 2 8 ( 1 1 ) ： 2 2 2 6 4 于宝海， 杨胜 强， 孙燕 ， 等 钢 箱梁桥 体铺装层降温 系统的试验 和数值模拟 J 筑路机械与施S - 机械化 ， 2 0 0 9 ， 2 6 ( 4 ) ： 6 5 6 7 5 胡 晓， 苏凯 ， 胡小弟， 等 水泥混凝土桥桥 面沥青铺装层的有 限元分析 1 公路交通科技 ， 2 0 0 7 ， 2 4 ( 3 ) ： 5 - 9 ， 1 4 6 徐鸥 明， 韩 森 ， 于静 涛 层间界面对混凝 土桥 面铺装 结构性能 的影响U 长安大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 0 9 ， 2 9 ( 5 ) ： 1 7 2 0 收 稿 日期 ： 201 1 0 5 -2 8 责 任 编 辑 ： 袁 宝 燕