钢-混凝土组合箱梁桥沥青摊铺温度场的试验与理论对比分析.pdf

第 6卷第 5期 2 0 0 9年 l O月 铁道科学与工程学报 J OURNAL OF RAf ， AY SCI ENCE AND ENGI NEE RI NG Vo 1 6 NO 5 Oc t 2 0 o 9 钢 一混凝 土组合箱梁桥沥青摊铺温度场 的 试验与理论对 比分析 陈晓强 。 刘其伟 ( 东南大学 交通学院 ， 江 苏 南京 2 1 0 0 9 6 ) 摘要： 在沥青高温摊铺期间， 桥梁结构受到高温沥青热传导、 太阳辐射、 空气对流换热和桥梁表面与大气之间的辐射换热 的作用， 边界条件复杂， 结构温度场具有时间和空间不断变化的特点。介绍了润扬大桥南接线实桥沥青摊铺期间温度场的 测试结果， 在实测资料的基础上 ， 总结出实桥沥青摊铺温度场的规律。借助有限元分析软件， 用空间三维计算模型、 纵向平 面模型和横向平面模型进行理论分析， 最终确定用考虑边界条件和覆盖沥青前的不同初始温度场的横向平面模型来进行 计算。通过实测数据与理论计算结果的对比分析， 验证 了该方案的可靠性。 关键词： 钢 一混凝土组合结构； 沥青摊铺； 温度场； 试验 中图分类号 ： U 4 4 8 3 8 文献标识 码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 27 0 2 9 ( 2 0 0 9 ) 0 5 0 0 0 50 6 T e mp e r a t u r e e x p e r i me n t a n d a n a l y s i s o f s t e e l c o n c r e t e c o mp o s i t e g i r d e r b r i d g e c a u s e d b y a s p h a l t p a v i n g C HE N X i a o q i a n g L I U Q i w e i ( T r a n s p o r t a t i o n C o l l e g e ，S o u t h e a s t Un i v e r s i t y， N a mi n g 2 1 0 0 9 6 ， C h i n a ) Ab s t r a c t： Du ring a s p h a l t p a v i n g，t h e b rid g e s t r uc t u r e wa s a f f e c t e d b y h o t a s p ha l t ，s o l a r r a di a t i o n，c o n v e c t i o n a n d r a d i a t i v e h e a t t r a n s f e r b e t we e n a i r a n d t h e s u r f a c e T he b o u n d a r y i s c o mp l e x a nd S O t he t e mp e r a t u r e fi e l d i s v a ria b l e wi t h t i me a n d s p a c e T h e f e a t u r e wa s g e n e r ali z e d a f t e r t h e t e s t a n d me a s u r e me n t o f a c t u a l b r i d g e，s o u t h c o n n e c t i o n l i n e o f Ru n y a n g B r i d g eB y me a n s o f ANS YS s o f t w a r e ，t h e fi n a l c a l c u l a t i o n p r o g r a m w a s f o u n d o u t b y a n a l y z i n g t rid i me n s i o n a l mo d e l ，l o n g i t ud i na l a n d t r a n s v e r s e pl a n e mo d e 1 A c e r t a i n n u mb e r o f t r a n s v e r s e p l a n a r mo de l s c a n b e u s e d t o r e p r e s e n t t h e t e mp e r a t u r e o f wh o l e b ridg e，wh i c h i s v e rif i e d b y c o mp a r i n g t he t h e o r e t i c a l c alc u l a t i o n a n d o b s e r v e d v alL i e Ke y wor ds ： s t e e lc o n c r e t e c o mp o s i t e s t r u c t u r e；a s p h a l t p a v i n g；t e mp e r a t u r e fi e l d；e x p e rime n t 在沥青高温摊铺期间， 桥梁结构受到高温沥青 热传导、 太阳辐射、 空气 对流换热和桥梁表面与大 气之问的辐射换热的作 用， 边界条件复杂 ， 结构温 度场具有在时间和空间上不断变化 的特点。本文 介绍了润扬大桥南接线实桥沥青摊铺期 间温度场 的测试方法 ， 在实测资料的基础上 ， 总结 出实桥沥 青摊铺温度场 的规 律。另外 ， 借 助有限元分析 软 件， 用空间三维计算模型、 纵向和横向平面模型进 行理论分析 ， 最终确定解决沥青摊铺动态时变过程 的计算方案， 并通过实测数据进行对 比分析。 沥青摊铺温度场测试 1 1 测点布置 该桥为左右幅分离 的变截面三跨钢 一混凝土 组合连续箱梁桥 ， 混凝土桥面板等厚 。由于该桥南 收稿 日期： 2 0 0 9 0 71 5 基金项 目： 江苏省交通科学研究项 目( 0 3 y 0 3 1 ) 作者简介： 陈晓强( 1 9 7 3 一) ， 男， 江苏南通人， 博士研究生， 讲师， 从事桥梁工程的研究 6 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 0 9年 1 0月 北走向， 外侧腹板受到东晒或西晒的影响， 故在左 右幅各选择 1个 测试 断面 ( 本文仅列 出左 幅东侧 测试断面的情况 ) ， 见图 1 2 。 1 2 摊铺沥青下面层时箱梁温度场 该桥沥青铺装 厚 1 0 c m， 分 2层摊铺 ， 其 中下 面层厚度为 6 c m。2 0 0 4年 1 O月 2 0日， 进行 了下 面层沥青摊铺施工 ， 采用 2台摊铺机梯队摊铺。根 据实测数据， 可以作出截面外侧和截面内侧的测点 实测温度随时问变化 的曲线 ， 见 图 7 ( 测试断面沥 青覆盖时间为 9 ： 2 5 ) 。由图 7可看 出， 箱梁沥青摊 铺温度场具有 以下特点 ： N 镇汀 2 5 2 3 21 l 9 生幅立丽 5 6 o o ( 1 ) 各点温度的变化有上升、 中间过渡和下降 过程 ， 越靠近上表面， 升温速率越大 ， 所达到的温度 峰值也越大。相对于快速的升温阶段 ， 各个测点的 降温过程 比较缓慢。 ( 2 ) 由于外侧腹 板朝东 ， 在 日出之后 至 9： 3 0 之前局部部位受到太阳的照射 ， 以及外侧腹板受到 太阳漫射的影响， 外侧腹板温度 比内侧 的要高约 2 c C， 见 图 3 。 ( 3 ) 钢梁 内的测点温度 ， 在整个观测 日中变化 都不大( 4以内) ， 这说明沥青高温摊铺对钢梁温 度没有影响。 蓠 = = = i 炳 38# 聂 测 试 断 面 3q# 墩 墩 尺寸单位 ： c m 图 1 测试断面位 置图 F i g 1 S i t e o f t e s t c r o s s s e c t i o n 乏 0- 墨 一 t固 黟 一 ， z 点 一 。 t0 r - 专 固 外侧 调 层 B 嚣 = 三 I一 、 ， T 1 ，、 0 a 0 I 蛊 x 一 【 。、 I 尺寸单位 ： c m 图 2温度测 点布 置图 Fi g 2 La y o ut o f t e mp e r a t u r e g a g i n g po i n t 侧 凋平层 I 类 薷 9 lI l 3 1 5 l 7 J 9 9 I 1 l 3 l 5 l 7 l 9 时刻 时 刻 图 3 钢 梁测 点温度与箱 内外空气温度变化 曲线 Fi g 3 Hi s t o r y t e mp e r a t u r e c u r v e s o f s t e e l g i r d e r a n d i n n e r a i r 第 5期 陈晓强， 等： 钢 一混凝土组合箱梁桥沥青摊铺温度场的试验与理论对比分析 7 2 模拟沥青摊铺的温度场计算方案 由于沥青及水泥混凝土材料的热传导系数较 小 ， 为了分析结构的瞬态温度场， 如对全桥进行空 间建模 ， 单元必须划分得 比较精细 ， 将耗费大量的 计算时间和存储空间。这里通过数值分析寻求 简便易行的计算方案。为了简便 ， 假定结构处于绝 热状态， 仅考虑高温沥青层与梁体之间以及结构内 部 的热传导。 2 1 空间节段模型 取试验桥纵向长 1 m的节段进行研究 ， 仅在距 端部 0 5 m的范 围内摊铺沥青 ， 见 图 4 。梁段初始 温度为均匀 2 0 C， 按照 3 m mi n的速度摊铺 ， 摊铺 匦 675 温度为 1 4 0 o C。摊铺结束后 ， 让梁段在与外界绝热 的条件下 自然冷却。借助 A N S Y S软件进行建模 分析 。 分析时将时间分成 2部分 ： 沥青摊铺过程和之 后的自 然冷却。沥青摊铺过程中将沥青摊铺分成 1 0段 ， 每段耗时 1 s ； 在每时段 内， 在初始温度场 已 知条件下， 强制约束各存在点的温度 ， 在极短时间 内将各点温度约束取消， 通过 1 s 瞬态热传导计算 后 ， 以文件形式输 出各点的温度 ； 在下一段沥青层 摊铺前 ， 各点初始温度变成已知， 按 照上述方法进 行处理 ， 一直循环到摊铺结束 。 根据温度场分布特点 ， 将梁段纵向分为 3个区 域( 见 图4 ) ： 一般影响段 (I) ； 影 响缓 冲段 (I I) ； 不受影响段( ) 。 5 o 6 2 5 l 6( -m 泥凝 谰半屡 f ： ： - 一- 一 2 l r I f 2 1 5 I 3 5 l 1 5 0 I 1 5 0 I 1 2 5 I 7 0 6 0 5 0 世 4 0 赠 3 0 2 0 赠 尺寸单位 ： c m 图 4节段计算模 型尺寸 F i g 4 S e g me n t a l mo d e l 0 0 1 O 2 0 3 0 4 0 5 纵 向位 ， m 7 0 6 0 5 0 4 0 赠 3 0 2 0 5 O 4 0 篝 3 0 2 0 0 0 1 02 0 3 0 4 0 5 06 07 0 8 纵 向位置 ， n l 0 0 1 0 2 0 3 0 4 05 06 0 7( J 8 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 06 0 7 0 8 纵向化置 I n 纵 向位置 1 1 1 ( a )一第 0层 ； ( b )一 第 3层 图5 混凝土第0和第3层各时间点纵向温度分布 F i g 5 L o n g i t u d i n a l t e mp e r a t u r e d i s t r i b u t i o n o f N o 0 a n d 3 l a y e r s i n c o n c r e t e d e c k 南一 8 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 0 9年 1 0月 2 1 1 一般影响段温度场分布及时变特征 在摊铺 3 h后 ， 热传导未达到钢箱 ， 横向( 除去 护栏区域外) 基本无热流 ， 其他位置横截面上任意 时刻也无横向热流问题。因此 ， 在同一横截 面上 ， 任取 1 点 ( 除去护栏 区域外) ， 其温度可代表该层 面其他点的温度 。 在高温沥青一般影响段可任取一竖向截面， 将 每一点的温度时程 画出。如对纵向不 同截面各点 的温度时程曲线 ， 以各截面摊铺到的时间为横坐标 原点， 则各点温度时程曲线基本重合。 2 1 2 纵向温度分布情况 第 0和第 3层温度与时间的关 系见 图 5 。在 有沥青覆盖的区间 ， 热流基本 在该 截面内竖 向渗 透 ； 无沥青覆盖截面在短时间内基本不受沥青摊铺 的影响， 在 3 h时 ， 纵 向仅影响 0 2 5 m。 2 2 纵向和横向平面模型计算 鉴于节段模型计算结果 ， 可将空间问题降低为 仅考虑混凝土部分的纵 向或横向二维问题 。 2 2 1 纵 向平 面模 型 计算模型 中， 沥 青混凝土和混凝 土桥面共分 3 4层 ， 纵 向 2 5 c m 1格 ， 总长 1 0 m。起始截面和 距端部 7 5 m处截面各点温度时程 曲线基本相似 ， 如将时间 0点定在各截面摊铺时刻 ， 则截面之间各 点温度曲线基本重合 ， 偏差在 0 6以内。 表 1 沥青及混凝土桥面板节点分层情况 Ta b l e 1 L a y e r s o f a s p h a l t a n d c o n c r e t e d e c k 注 ： 1 表示沥青表 面； 2 表不调平层表 面。 2 2 2横 向平 面模 型 分层情况与纵向平面模型相同 ， 部分温度数据 见表 3 。 2 3 计算方案的确定 无沥青摊铺 时， 各截面处于相 同环境下 ， 温度 场可看作横向的二维问题 。但在摊铺过程中， 不同 横截面在各 自覆盖沥青时， 截面的初始温度场及边 界条件不一样 ， 但仍可以用不同的横向平面模型来 计算各截面的温度场， 理由如下 ： ( 1 ) 假如在任意 t 时， 沥青纵 向已摊铺长度为 f ， 在后续 时间内摊铺了 f ， 仍有长度 f ， 的区间 需摊铺 ， 整个作业是不间断进行的( 见图 6 ) 。 ( 2 ) 在区间 I I 内， 沥青覆盖前 ， 由于在很短时 间内， 已摊铺沥青对该区间梁体无影响， 区间 I I 内 初始温度场相同， 因此， 是横截面平面温度场问题 ， 由此可推演出区间 I内各截 面的温度场均是横向 平面温度场问题； 在区间 I I I 内， 显然可以用横向平 面模型进行计算。因此， 沥青摊铺空间时变问题可 以用考虑边界条件和覆盖沥青前的不同初始温度 场的平面模型来进行计算 J 。 区间I 区问l l 区闻I I I 图 6 初始温度场及边界 条件 问题 示意 图 Fi g 6 S c he ma t i c p l a n o f i n i t i a l t e mp e r a t ur e a nd b o un d a r i e s 3 考虑实际边界条件的平面温度场 模型理论对比分析 任意截面温度变化在时间跨度上分为 2个阶 段 ： 摊铺前和摊铺后。摊铺前 ， 混凝土上表面接受 太阳照射及与空气之间换热 ； 摊铺后 ， 增加高温沥 青部分 ， 混凝土上表面转换为内部界面， 仅起到 内 部热传导的作用， 沥青上表面接受太阳照射及与空 气之间换热。为了进一步验证以上计算方法 、 材料 热工系数和边界条件的可靠性 ， 以现场实测资料来 进行对 比分析。 3 1 热工系数及边界条件模拟 3 1 1 热工 系数 钢纤维不仅改善了混凝土的韧性 ， 还增加了热传 导性能， 文献 4 中实测掺量为 5 0 k g m 3 ( 体积含量为 0 6 4 ) 的钢纤维混凝土导温系数为0 0 0 3 9 11 1 2 h ， 由 此推算导热系数为 2 2 w ( m 2 K ) 。 表2 材料热工系数表 Ta b l e 2 Th e r ma l e n g i n e e r i n g c o e f fi c i e n t s o f ma t e r i al 3 1 2大气及 箱 内温度 从气象台获取 了 l 0月 2 0 1 3 的气温、 风速和太 阳辐射强度的资料( 见表 1 ) 。该天的太阳辐射不 强烈 ， 气温变化不大， 风速也很小 ( 白天平均风速 为 1 8 m s ) 。 3 1 3空 气对流换 热 空气与结构外表面的对 流换热按公式 ( 1 ) 计 第 5期 陈晓强， 等： 钢 一混凝土组合箱梁桥沥青摊铺温度场的试验与理论对比分析 9 算， 对流系数按结构表面温度与外界温度差值进行 变化。箱内空气由于基本处于静风状态， 与结构内 表面的对流换热系数取 4 7 4 w ( m K) J 。 h一2 6 ( +1 5 4 v ) 。 ( 1 ) 式 中 13 为风速 ， 5 0 m s ； A T为表面温度与周围 空气温度之差 ， 单位为 K J 。 3 1 4 辐 射及 辐射换 热 桥位经度为 1 1 9 4 5 。 ， 纬度为 3 2 0 4 。 ， 2 0 0 4年 1 0月 2 0日太阳倾角为 一l 0 7 2 。 。 取混凝土及 沥 青表 面太 阳辐射 吸 收系数 为 0 6 5 。 I 9 和 0 8 m ， 有涂层钢材的表面吸收系数为 0 4 ， 太 阳辐射作为热流密度按时间序列施加到模 型 E。 地面对太阳的辐射， 绝大部分被吸收， 剩余的 少部分 以漫反射的形式 向四周反射 ， 计算时仅对桥 面板外侧悬挑 、 外侧腹板和底板考虑太阳辐射的反 射能量 ， 地面平均反射率为 0 2 。 桥面除了吸收太阳发出的短波辐射外 ， 也在不 断地发射长波辐射 ， 并与周围空气的长波辐射形成 辐射换热。结构表面的辐射热全由外环境吸收， 因 此， 辐射角系数取为 1 ， 将大气看成黑体 j 。 3 1 5 初始温度条件 计算时以 7 ： o 0实测温度作为计算模型的基础 温度 ， 通过太 阳辐射 、 对 流换热条件的引入进行瞬 态温度场计算 ， 得到沥青覆盖瞬间的初始温度场 。 表 3 各截面不 同深度混凝土温度数据计 算结果 Ta b l e 3 C a l c u l a t i o n t e mp e r a t u r e o f d i ff e r e n t s e c t i o n s s i n s e v e r a l d e p t h s 注 ： 各截面时间 0点为各截面沥青覆盖时刻 ； “ 截 面 1 ” 一纵向平面模 型起始截面 ； “ 截面 2 ” 纵 向平 面模型距起始端 7 5 m处截面 ； “ 截 面 3 ” 一 横向平 面模型 ； 层位信息见表 I 。 表 4 计算 用环境 气象条件 Ta b l e 4 Me t e o r o l o g i c c o n d i t i o n s f o r c a l c u l a t i o n 6 0 5 2 0 4 4 运 3 6 2 8 2 0 0 l 2 0 2 4 0 3 6 0 4 8 0 x 】 叫问 mi n 5 6 4 8 4 0 赠 3 2 2 4 1 6 0 I 2 0 2 4 0 3 48 0 x 】 It ,r 问 rai n 图7 内、 外侧桥面板温度实测与理论分析比较 F i g 7 T e m p e r a t u r e s i n s t e e l w e bp l a t e( i n n e r a n d o u t e r )o f m e a s u r e me n t a n d c a l c u l a t i n g r e s u l t s 1 0 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 0 9年 1 O月 3 2 计算分析结果与实测资料的比较 为便于对 比， 将 有关数据绘成 图形进行 比较 ( 见图 78 ) 。可见， 实测数据与理论计算结果较 吻合 ， 在相同时刻， 桥 面板 内混凝土测点温度偏差 在 2 o C以内， 钢腹板平均温度偏差在 1 o C以内。 2 3 2 2 赠 曩2 I 型 2 0 蚤 l 9 0 l 0 0 20 0 30 0 4 ( 5 0 0 60 0 l ,l lh J rai n 图 8钢腹板 平均 温度 比较 F i g 8 C o mp a r i s o n o f a v e r a g e t e mp e r a t u r e i n s t e e l w e b p l a t e 4 结论 ( 1 ) 各点 温度 的变化 有上升 、 过渡 和下 降过 程 ， 越靠近上表面， 升温速率越大 ， 所达到的温度峰 值也越大。相对于快速的升温阶段 ， 各个测点的降 温过程 比较缓慢。 ( 2 ) 钢梁 内的测点温度在整个观测 日中变化 都不大( 4 c I ： 以内) ， 高温摊铺对 钢梁温度影响较 小 。箱 内空气温度与钢箱温度走势基本一致 ， 但与 大气温度相比有一定的滞后。 ( 3 ) 在沥青摊铺阶段 ， 温度场存在时空变化问 题 。由于混凝土和沥青材料热量传导缓慢， 可以从 纵 向上将桥梁切分 出有限数量的截面， 对每一个横 截面单独用横 向平面模型来计算温度场 ， 以反映出 全桥的温度场情况 。 ( 4) 各截面温度场计算时可分 2个阶段进行 。 以沥青面层摊铺时刻作为分界点 ， 之前按照 日照温 度场的计算模型算得温度场 ， 将此作为摊铺之后的 初始温度场。 参考文献 ： 1 莫维尼，王崧有限元分析： A N S Y S理论与应用 M 2版 北京：电子工业出版社， 2 0 0 5 Mo a v e n i S，WANG S o n g F i n i t e e l e me n t a n a l y s i s ：t h e o r y a n d a p p l i c a t i o n w i t h A N S Y S M 2 n d e d B e ij i n g ： C h i n a Ra i l wa y P u b l i s h i n g Ho u s e ，2 0 0 5 2 张朝晖A N S Y S 8 0热分析教程与实例解析 M 北 京 ： 中国铁道出版社 ， 2 0 0 5 ZHAN G C h a o h u i T u t o rials a n d e x a mp l e s o f t h e r mal a n a l y s i s b y A N S Y S 8 0 M B e i j i n g ： C h i n a R a i l w a y P u b l i s h i n g Ho u s e ，2 0 0 5 3 陈晓强钢 一混组合连续箱梁桥温度场及温度作用研 究 D 南京： 东南大学， 2 0 0 9 CHEH Xi a o q i a n g S t u d y o n t e mp e r a t u r e fi e l d a n d i t s a c - t i o n i n c o n t i n u o u s s t e e l c o n c r e t e c o m p o s i t e g i r d e r s D N a n j i n g ： S o u t h e a s t U n i v e rs i t y ， 2 0 0 9 4 梅明荣 ， 杨勇， 王山山， 等 钢纤维混凝土热性能及其 防裂作用的研究 J 水利学报 ， 2 0 0 7 ( S 1 ) ： 1 1 1 1 1 7 MEI Mi n g r o n g，YANG Yo n g，WANG S h a h s h an，e t a1 S t u d y o f t h e rm a l p r o p e r t y o f s t e e l fi b e r c o n c r e t e a n d i t s c r a c kr e s i s t a n c e c a p a c i t y J J o u rnal o f H y d r a u l i c E n - g i n e e r i n g ， 2 0 0 7 ( S 1 ) ： 1 1 1 1 1 7 5 G B 5 0 l 7 6 9 3 ， 民用建筑热工设计规范 S G B 5 0 l 7 6 3T h e rm al d e s i g n c o d e f o r c i v i l b u i l d i n g S 6 张建荣 ， 刘照球 ， 刘文燕混凝 土表 面 自然对流换热系 数的实验研究 J 四川建筑科学研究， 2 0 0 7 ( 5 ) ： 1 4 3 1 46 ZHAN G J i a n r o n g ，L I U Z h a o - q i u，L I U n - y a n E x p e r i me n t al r e s e a r c h o n n a t u r al c o n v e c t i v e c o e f f i c i e n t o f c o n c r e t e S u rf a c e J S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e ，2 0 0 7( 5 ) ： 1 431 46 7 凯尔别克 F 太阳辐射对桥梁结构的影响 M 刘兴 法， 译 北京 ：中国铁道出版社， 1 9 8 1 K e h l b e c k F T h e e f f e c t o f s o l a r r a d i a t i o n o n b ri d g e M L I U X i n f a ，t r a n s B e i j i n g ： C h i n a R a i l w a y P u b l i s h i n g Ho u s e，1 9 81 8 张建荣 ， 徐 向东 ， 刘文燕混凝 土表面太阳辐射吸收系 数测试研究 J 建筑科学， 2 0 0 6 ( 1 ) ： 4 2 4 5 Z HANG J i a n - r o n g，XU Xi a n g d o n g ， L I U We n y a n A t e s t s t u d y o n t h e s o l ar r a d i a t i o n a b s o r p t i o n c o e ffi c i e n t o f c o n c r e t e s u r f a c e J B u i d i n g S c i e n c e ，2 0 0 6( 1 ) ： 4 2 45 9 F u H C， N g S F ， C h e u n g M S T h e r m a l b e h a v i o r o f e o m - p o s i t e b ri d g e s J J o u rnal o f S t r u c t u r al E n g i n e e ri n g ， A S C E， 1 9 9 0 ， 1 1 6 ( 1 2 ) ： 3 3 0 2 3 3 2 3 1 0 韩子东道路结构温度场研究 D 西安：长安大 学 ， 2 0 0 1 HAN Z i d o n g T h e rm al fi e l d s t u d y o f r o a d s t r u c t u r e D X i a n ： C h a n g h n U n i v e r s i t y ， 2 0 0 1