溫度和干縮對鋼橋面鋪裝層受力的影響

趙朝華

（重慶交通大學土木建筑學院，重慶 400074）

溫度和干縮對鋼橋面鋪裝層受力的影響

趙朝華

（重慶交通大學土木建筑學院，重慶 400074）

根據鋼橋面鋪裝的受力特點，推導了鋼橋面鋪裝層的溫度應力計算公式;結合實際鋪裝材料和實際使用環境，計算了常用鋪裝材料的溫度及收縮應力，并與車輛荷載作用下鋪裝層的應力計算進行對比。研究表明:溫度和干縮作用遠大于車輛荷載對鋼橋面鋪裝層的受力影響。

鋼橋面鋪裝;溫度;干縮;應力分析

橋面鋪裝層是橋梁結構的重要組成部分之一，不但直接承受著車輛荷載的壓力、沖擊和剪切荷載，并在汽車和氣候環境作用下被磨耗和風化，起到保護橋梁主體和為行車提供安全、舒適的路面功能作用。因此，鋼橋面鋪裝是大跨徑鋼箱梁橋建設的關鍵技術之一，一直受到國內外學術界和工程界的高度重視與關注。但是橋面鋪裝尤其是鋼橋面鋪裝目前仍是世界性的難題，尤其鋼橋面鋪裝從大跨徑鋼梁橋開始建設起，就引起了國內外學者的高度重視與關注，投入了大量的研究精力［1］。

鋼橋面鋪裝之所以一直成為橋梁建設的關鍵技術難點與正交異性橋面板的結構特點和使用條件有著密切關系。一方面正交異性橋面板結構復雜，柔度較大，鋪裝層的受力狀態比普通路面、機場路面或混凝土橋面鋪裝復雜的多，尤其在重型車輛荷載作用下，鋼橋面板局部變形更復雜，部分結構部位如各縱向加勁肋和橫向加勁肋與橋面板焊接處出現明顯的應力集中，導致鋪裝層處于更為復雜、不利的受力狀態;另一方面，由于正交異性鋼橋面板的材料和結構特性，鋼橋面鋪裝常受到高溫、振動和重載等更加惡劣的自然環境，鋪裝層的材料的抗疲勞、耐候性以及界面層的黏結牢固耐久性均受到嚴重考驗，防水、防銹與層間結合都是剛橋面鋪裝需要重點考慮的問題［2］。

橋面鋪裝的研究包括鋪裝材料和鋪裝結構兩個方面，在明確鋪裝層的受力特點和結構特性后，后續工作就是尋求或發明出一種適合于鋼橋面鋪裝力學特性的鋪裝材料。因此對鋼橋面鋪裝的有針對性的深入、準確的力學理論分析成為鋼橋面鋪裝能否突破的重要技術基礎。

1 鋼橋面鋪裝基本特點

鋼橋面鋪裝首先作為鋪裝結構層，具有一般公路路面和水泥混凝土橋面鋪裝的共同特點［1-4］:①與車輪直接接觸，直接承受車輛荷載的摩擦、沖擊等作用;②承受外界環境條件的影響，因此鋪裝材料均具有環境穩定性和耐久性要求;③均以強度、變形等技術參數作為鋪裝材料優劣評定的主要指標;④鋪裝層之間或鋪裝層與基面之間均存在復雜的界面層間狀態和界面要求。

但鋼橋面鋪裝作為一種特殊條件下的鋪裝結構，鋼橋主梁截面的特殊構造使得橋面板和鋪裝材料不僅要承受正彎矩，同時也必須承受負彎矩。也正是由于鋼橋面鋪裝必然承受正負彎矩的反復作用，增加了鋼橋面鋪裝的難度，同時也是許多橋面鋪裝失敗的原因。因此鋼橋面鋪裝除了具有一般路面鋪裝和混凝土橋面鋪裝特點外，還具有其自身特有的性能要求。從鋪裝層自身受力特性來看，鋼橋面鋪裝層具有以下不同于路面鋪裝的特點［4-5］:

1）鋼橋面鋪裝層具有不同于路面鋪裝的受力特性。鋼橋面鋪裝具有變形大且復雜的特點，鋼橋面鋪裝層上部具有拉應力或拉應變，而一般路面結構中，面層的最大拉應力或拉應變均出現在面層底部。

2）鋼橋面鋪裝層具有獨特的使用環境。鋼材的導熱系數遠大于路基、路基基層等土工材料，鋼橋面鋪裝在極端高溫和低溫環境下較一般瀝青混凝土路面更易受大氣溫度的影響，其極端高溫和低溫遠大于一般路面面層。因此總的來講，除正常鋪裝層自身的溫度變化之外，鋼結構的每日和季節性溫度變化更加嚴重的影響著鋪裝層的變形、受力等性能，對鋼橋面鋪裝的耐久性具有重要影響。

2 鋼橋面鋪裝層溫度應力公式推導

2.1 溫度作用下鋼橋面鋪裝層應力計算公式推導

在橋面鋪裝中，溫度荷載主要是指由溫度變化引起的鋪裝層在其他約束條件下的受力，溫度荷載是大自然無法抗拒的外力作用，其影響往往超過車輛荷載的影響，因此對于鋪裝層的溫度荷載應力分析就至關重要。收縮主要針對水泥類混凝土橋面鋪裝而言，混凝土收縮是指在混凝土凝結初期或硬化過程中出現的體積縮小現象，一般分為塑性收縮（又稱沉縮）、化學收縮（又稱自身收縮）、干燥收縮及碳化收縮，較大的收縮會引起混凝土開裂。鋪裝層的溫度荷載應力推導如下。

將橋面的縱向、橫向分別作為坐標系的x軸、y軸，鋪裝層假設為理想的彈性薄板，在均勻溫度收縮和膨脹的條件下，鋪裝層內應變為:

若鋪裝層的溫度變形被鋼橋面完全限制，則可得鋪裝層溫度作用下鋪裝層完全受到約束時的應力:

結合公式（2）及溫度膨脹收縮規律，若鋼橋面板假設溫度恒定且無變形，則當鋪裝層溫度降低時，橋面鋪裝隨著溫度的降低而收縮，鋪裝層在界面黏結作用下受到鋼橋面板的約束，此時鋪裝層內產生拉應力和拉應變。同理，當溫度升高時，橋面鋪裝膨脹，此時鋪裝層內產生壓應力和壓應變。

實際情況中，鋼橋面板在溫度的作用下同樣要產生溫度收縮和膨脹變形，由于鋼橋面相對于鋪裝層具有更大的體積和彈性模量，鋪裝層的溫度變形相對于鋼橋面板的自由收縮的影響相對較小，因此在界面黏結作用下，有理由將鋪裝層的變形視為鋼橋面板的溫度自由變形，即:

式（1）和式（3）代入式（2），得到鋪裝層的應力為:

由于泊松比的影響有限，為便于問題分析，若將泊松比對于鋪裝的應力影響忽略不計，則問題簡化為:

式中:α鋪裝為鋪裝層材料的線膨脹系數;α鋼橋面板為鋼橋面的線膨脹系數;ΔT鋪裝為鋪裝層溫度變化值;ΔT鋼橋面板為鋼橋面板溫度變化值;E為鋪裝層材料彈性模量。

為了考慮公式的適用性，特做如下規定:ΔT鋪裝和ΔT鋼橋面板在溫度升高時取正值，溫度降低時取負值，計算應力σ為正值表示鋪裝層處于受壓狀態，正值表示處于受拉狀態。

鋼橋面鋪裝層的工作溫度范圍較大，鋪裝層和鋼橋面板不同季節具有復雜的溫度變化規律，可以看出:

1）溫度作用下，在其他變化條件相同時，鋪裝層與鋼橋面板變形越接近，鋪裝層內產生的溫度應力和變形就越小。

2）升溫時，鋪裝層和鋼橋面板產生拉伸變形，當鋪裝層產生的溫差變形（α鋪裝×ΔT鋪裝）大于鋼橋面板的溫差變形（α鋼橋面板× ΔT鋼橋面板）時，鋪裝層的拉伸變形有被鋼橋面限制拉伸的趨勢，此時鋪裝層內產生壓應力和壓應變。同理，若鋪裝層在溫差作用下產生的拉伸變形小于鋼橋面的拉伸變形，此時鋼橋面的拉伸變形則被鋪裝層限制，鋪裝層的拉伸變形有被擴大拉伸的趨勢，則鋪裝層內產生拉應力和拉應變。

3）降溫時，鋪裝層和鋼橋面板產生收縮變形，當鋪裝層產生的溫差變形（α鋪裝×ΔT鋪裝）大于鋼橋面板的溫差變形（α鋼橋面板× ΔT鋼橋面板）時，鋼橋面板就限制了鋪裝層的自由收縮，鋪裝層就有被拉伸的趨勢，此時鋪裝層內產生拉應力和拉應變。同理，若鋪裝層在溫差作用下產生的收縮變形小于鋼橋面的收縮變形，此時鋼橋面的收縮變形有被加大壓縮的趨勢，則鋪裝層內產生壓應力和壓應變。

4）在鋪裝層溫度與鋼橋面溫度變化相同時，若α鋪裝＞α鋼橋面板，如瀝青類鋪裝材料，則升溫時鋪裝層處于較為不利的受拉狀態;若α鋪裝＜α鋼橋面板，則降溫時鋪裝層處于不利的受拉狀態。

2.2 干縮作用下鋼橋面鋪裝層應力公式推導

干縮作用與溫度收縮即降溫作用類似，在混凝土收縮受到限制時，橋面內會產生一定的應力，實際情況中混凝土的干縮發生在凝結階段，干縮變形較大，但此時材料尚未凝固，此時雖然材料強度較低，但材料的彈性模量較小，其極限應變也較大。從材料性能角度來看，干縮越小，由此引起的干縮應力也就越小，對于鋪裝層以及界面層的受力就越有利。干縮變形可以等效為溫度均勻降低引起的收縮變形，其干縮應力的計算也可參照溫度應力計算類似，只需把式（5）中的溫度變形α鋪裝×ΔT鋪裝替換為混凝土橋面收縮應變ε收縮，而鋼橋面板收縮為0。因此在混凝土橋面鋪裝層干燥收縮作用下，鋪裝層內應力計算可參照鋪裝層溫度均勻收縮情況進行推導，其計算公式為:

3 環境溫度作用下鋪裝層受力分析

結合實際溫差情況，按日溫差和季溫差分別對鋪裝層受力進行分析。

3.1 日溫差下鋪裝層受力分析

在日均溫差變化下，鋪裝層表面直接暴露于大氣，且直接承受陽光直射，溫度變化較大。鋼橋面板位于鋪裝層下，受鋪裝層的溫度保護作用，鋼橋面板溫差變化較小。若以我國較為不利氣候考慮，日溫差最大值設為40℃，則鋪裝層直接裸露于大氣中，當日最大溫差值設為40℃，鋼橋面板位于鋪裝層下，沒有受到太陽直曬作用，其最大溫差相應較小，設為20℃。

材料的線膨脹系數隨溫度不同而不同，本文計算參數綜合文獻［6-11］，取其低溫時較為不利狀態的線膨脹系數與彈性模量進行計算。不同鋪裝材料下鋪裝層內溫度應力計算結果見表1。

表1 日溫差/季溫差氣候下不同鋪裝材料的溫度應力計算結果Table 1 Calculated results of temperature stress of different paving materials under different daily/seasonally temperatures

3.2 季溫差下鋪裝層受力分析

在季溫差作用下，鋪裝層和鋼橋面板整體隨著外界氣溫的變化而變化，可以認為鋪裝層和鋼橋面板具有相同的溫度，此時季溫差將根據區域而定。針對我國地理條件，偏于不利因素的取其溫度工作范圍為-10～70℃，即鋪裝層和鋼橋面板最大溫差為80℃，則不同鋪裝材料下鋪裝層內溫度應力計算結果見表1。

瀝青材料隨著溫度升高其力學性能劣化嚴重，如低溫時環氧瀝青混凝土強度一般超過10 MPa，但隨著溫度的升高，其彎拉強度大幅下降，而聚合物骨架混凝土隨著溫度的升高其力學性能并無較大變化。因此在實際情況中，相對于SMA、環氧瀝青等瀝青混凝土鋪裝材料來說，聚合物骨架混凝土在溫度作用下的受力優越性就更為明顯。

筆者對鋼橋面車輛荷載也進行有限元分析計算，若鋪裝層材料參數設置不變，計算荷載采用BZZ-100標準車后軸的一側輪胎加載，最不利荷載位置作用下，鋪裝層最大拉應力為1.192 MPa。結合溫度荷載計算分析結果，不難得到結論:溫度荷載的影響要遠遠超過車輛荷載的影響，即使超載作用下，單純從受力角度分析來看，其影響不致鋼橋面鋪裝發生如此早期嚴重破壞。因此溫度荷載影響對于鋼橋面鋪裝的破壞至關重要，且瀝青類材料在高溫環境作用下，其材料性能的劣化嚴重。因此從這個角度看，瀝青混凝土鋼橋面鋪裝層的早期破壞也就不可避免。

4 結論

結合鋼橋面鋪裝的受力和使用環境的特點，對溫度等自然環境因素影響下的鋼橋面鋪裝層進行了受力分析，并分析推導出鋼橋面鋪裝層溫度、收縮作用下的應力計算公式，并對現行不同鋼橋面鋪裝材料進行了實際環境條件下的溫度受力分析，得到了以下結論:

1）溫度作用下，在其他變化條件相同時，鋪裝層與鋼橋面板變形越接近，鋪裝層內產生的溫度應力和變形就越小，鋪裝層的溫度應力的產生是以鋪裝層底部邊界被約束即界面黏結為前提。

2）鋼橋面鋪裝在實際使用環境中，溫度荷載的影響要遠遠超過車輛荷載的影響。

3）現有瀝青類常規鋼橋面鋪裝材料在溫度作用下，鋪裝層均處于較為不利的受力狀態，要解決目前鋼橋面鋪裝早期破壞，開發研究新型鋼橋面鋪裝的新材料和新結構勢在必行。

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Influence of Temperature and Shrinkage on Stress of Steel Bridge Deck Pavement

Zhao Chaohua
（School of Civil Engineering＆ Architecture，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）

According to stress characteristics of steel bridge deck paving，the thermal stress calculation formula of pavement is derived.With the help of the formula，combing with the actual paving materials and the actual service environment，the analysis of temperature stress and shrinkage stress of commonly-used paving materials has been carried out.And a contrast analysis between them and the stress of pavement under vehicle loads has also been carried out.According to the calculations，the factors of natural environment such as temperature and shrinkage are more significant in influencing the steel bridge deck pavement than that vehicle loads does.

steel bridge deck pavement;temperature;shrinkage;stress analysis

U443.33

A

1674-0696（2013）02-0187-03

10.3969/j.issn.1674-0696.2013.02.03

2012-04-23;

2013-01-04

趙朝華（1980—），男，河南南陽人，博士研究生，主要從事路面和橋面鋪裝方面的研究。E-mail:chaohua_zhao@163.com。