鋼箱梁與橋面鋪裝層溫度場協(xié)同變化規(guī)律分析

趙巖荊，周嵐（1.南京交通職業(yè)技術(shù)學院，江蘇南京211188；2.東南大學土木工程學院，江蘇南京210096；.東南大學交通學院，江蘇南京210096）

鋼箱梁與橋面鋪裝層溫度場協(xié)同變化規(guī)律分析

趙巖荊1，2，周嵐3
（1.南京交通職業(yè)技術(shù)學院，江蘇南京211188；2.東南大學土木工程學院，江蘇南京210096；3.東南大學交通學院，江蘇南京210096）

為研究鋼箱梁橋面鋪裝層溫度場在環(huán)境溫度條件下的變化規(guī)律，利用ABAQUS軟件建立了鋼箱梁及鋪裝層熱傳導分析模型。根據(jù)溫度場計算理論，在考慮太陽輻射、空氣對流交換以及自身有效輻射等影響因素的前提下，結(jié)合江蘇省長江流域內(nèi)冬夏季節(jié)的代表性環(huán)境氣溫變化規(guī)律，對鋼箱梁及鋪裝層溫度場進行分析。分析結(jié)果表明：鋪裝層溫度場隨著大氣溫度的變化呈現(xiàn)出周期性變化規(guī)律；夏季鋪裝層溫度明顯高于大氣溫度，最高溫度超過了60℃；冬季鋪裝層的最低溫度低于-4℃，對鋪裝層結(jié)構(gòu)的高溫穩(wěn)定性及低溫抗裂性能均提出了較高的要求；同時，鋼箱梁相對封閉的結(jié)構(gòu)具有明顯的“保溫”作用，使得鋪裝層夜間溫度均高于環(huán)境大氣溫度。

鋼箱梁橋面；瀝青混凝土鋪裝層；溫度場；三維有限元方法；熱傳導分析

0 引言

大跨徑懸索橋及斜拉橋的鋼箱梁及鋪裝層在使用過程中暴露于自然環(huán)境之中，受到外界環(huán)境溫度的影響，其內(nèi)部溫度場也會隨著季節(jié)、晝夜而不斷地變化[1]?，F(xiàn)有橋面多采用瀝青混凝土作為鋪裝層材料，黏結(jié)層也多采用瀝青類或樹脂類材料，材料性能對溫度影響十分敏感[2]。因此，無論是對于鋪裝層材料的設(shè)計、應(yīng)用還是研究，均必須明確鋪裝層的使用溫度，以便對材料與結(jié)構(gòu)進行針對性的設(shè)計，提出合理的評價指標[3-4]。

由于受太陽輻射、風速、大氣溫度等氣象因素影響，鋼箱梁及鋪裝層內(nèi)溫度均隨著時間而不斷改變，是典型的非穩(wěn)態(tài)傳熱現(xiàn)象，因此鋼箱梁溫度場變化十分復雜。除了與路面溫度場所受到的環(huán)境因素影響不同之外，由于鋼箱梁特有的構(gòu)造，其內(nèi)部溫度場也有別于一般橋梁。東南大學的范海波[5]對鋼箱梁橋的實體工程進行現(xiàn)場檢測，檢測結(jié)果表明鋼箱梁由于箱體封閉，箱梁內(nèi)空氣吸收了熱量而又不能及時與外部空氣進行對流換熱，由此產(chǎn)生“保溫”效果，對鋪裝層的溫度場影響很大。溫度場實地檢測的方法雖然貼近實際，但樣本數(shù)量少，工程適用性不良，尤其對于已有通車橋梁鋪裝層的溫度場檢測，存在很大的困難[6]。在理論分析方面，東南大學的陳曉強、劉其偉[1]對鋼-混凝土組合箱梁橋瀝青攤鋪溫度場進行了計算與分析；哈爾濱工業(yè)大學的逯彥秋、張肖寧等[7]利用ANSYS軟件對重慶鵝公巖大橋鋼箱梁瀝青混凝土鋪裝層溫度場進行了模擬分析，考慮了太陽輻射、對流換熱等因素的影響，得到了較為合理的鋪裝層溫度場變化規(guī)律。但現(xiàn)有分析均是對橋梁結(jié)構(gòu)局部溫度場進行二維分析，與實際鋪裝層結(jié)構(gòu)的三維溫度場分布相比存在誤差，影響了計算結(jié)果的可靠性。

因此本文擬在江蘇省長江流域冬季與夏季實測大氣溫度的基礎(chǔ)上，利用三維有限元方法，結(jié)合熱傳導分析理論，采用ABAQUS軟件建立鋼箱梁與鋪裝層的三維熱傳導模型，揭示鋼箱梁與鋪裝層在環(huán)境溫度條件下的協(xié)同變化規(guī)律，從而為鋪裝層溫度相關(guān)性能的設(shè)計、評價、研究提供基礎(chǔ)。

1 鋼橋面鋪裝層溫度場計算理論

1.1 溫度場影響因素

橋面鋪裝層除了承受車輛荷載以外，還受到外界環(huán)境如氣溫、輻射、風雨等因素的影響[7]。各種環(huán)境因素對鋼橋面鋪裝層溫度場的影響過程如圖1所示。

圖1 環(huán)境對鋼箱梁及鋪裝層溫度場的影響

由圖1可知，對鋼箱梁及鋪裝層溫度場產(chǎn)生影響的因素有很多，其中影響較大的主要有三類：鋼箱梁與鋪裝層的自身輻射、受到的太陽輻射以及與空氣之間的對流熱交換。本文在分析過程中主要依據(jù)溫度場計算理論，研究在三者作用下，鋼箱梁鋪裝層溫度場的變化規(guī)律。

1.2 太陽輻射

根據(jù)嚴作人等[8]的研究成果，太陽輻射q(t)的日變化過程可采用以下函數(shù)近似表示：

式中：q0為中午最大輻射，q0=0.131mQ，m= 12/c；Q為日太陽輻為實際有效日照數(shù)（h）；ω為角頻率（rad），ω=2π/24；t為時刻，取0～24。

式（1）為分段函數(shù)，不光滑連續(xù)，在計算溫度場時會出現(xiàn)跳躍間斷點，為此，需要將其展開為級數(shù)形式以得到光滑連續(xù)的函數(shù)表達式。根據(jù)Fou?rier級數(shù)的相關(guān)原理，可將式（1）展開為余弦三角函數(shù)的Fourier級數(shù)，即式（2），計算階數(shù)達到30即可滿足工程精度要求[9]：

其中：

1.3 氣溫及對流交換

對于太陽輻射的影響，可采用兩個正弦函數(shù)的線性組合來模擬氣溫的日變化過程：

鋪裝層及鋼箱梁表面與大氣發(fā)生熱交換的熱交換系數(shù)主要受風速的影響，兩者之間呈線性關(guān)系：

式中：hc為熱交換系數(shù)（W?m-2?℃-1）；vw為日平均風速（m?s-1）。

1.4 有效輻射

物體的有效輻射大小主要與其自身溫度、氣溫、云量、空氣濕度及透明度等諸多因素相關(guān)。本文采用式（7）近似模擬鋪裝層有效輻射的邊界條件：

式中：qF為鋪裝層的有效輻射大小（W?m-2?℃-1）；ε為鋪裝層發(fā)射率（黑度），瀝青混凝土通常取0.81；σ為Stefan-Boltzmann常數(shù)（黑體輻射系數(shù)）；為鋪裝層溫度（℃）；Ta為大氣溫度（℃）；TZ為絕對零度值，即TZ=-273℃。

2 計算模型及參數(shù)

鋼箱梁及鋪裝層溫度場計算中所采用的熱力學參數(shù)分別參考了陳曉強[1]、逯彥秋[7]以及廖公云[9]等人的研究成果。具體參數(shù)如表1所示。

表1 計算模型材料參數(shù)

由于鋼箱梁橋面結(jié)構(gòu)的各個橫斷面幾乎保持一致，并且左右對稱，因此選取某一截面的半邊溫度場，便能夠代表鋼箱梁及鋪裝層的整體溫度場分布，計算有限元模型如圖2所示。模型中鋼箱梁下部各表面由于不受太陽直射，因此僅設(shè)置對流及表面輻射邊界條件；鋪裝層上表面、鋼箱梁橋面板裸露部分及斜腹板上部，設(shè)置太陽輻射、表面輻射及空氣對流邊界條件；其他各個側(cè)面由于與周圍溫度場呈現(xiàn)出對稱或連續(xù)狀態(tài)，相互之間并不會產(chǎn)生熱傳導作用，因此ABAQUS默認設(shè)置為絕熱狀態(tài)。

圖2 鋼箱梁及鋪裝層溫度場計算模型

由于江蘇省境內(nèi)鋼箱梁橋多集中于跨長江大橋，同時由于鋪裝層性能主要考慮高溫穩(wěn)定性與低溫抗裂性，因此考察江蘇省內(nèi)長江流域夏季高溫及冬季低溫季節(jié)的晝夜氣溫變化規(guī)律[10-11]，其中冬季選取平均氣溫最低的1月份、夏季選取平均氣溫最高的7月份的溫度值作為代表加以研究。

1月份與7月份的氣溫變化規(guī)律如圖3所示。其中1月份平均氣溫為2.5℃，最低氣溫為-5.9℃，最高氣溫為10.9℃；7月份平均氣溫為29.2℃，最低氣溫為22.8℃，最高氣溫為35.6℃。

圖3 冬季與夏季氣溫變化規(guī)律

3 鋼箱梁及溫度場計算

3.1 夏季鋼箱梁及鋪裝層溫度場分布

利用熱傳導理論，選取14：00與02：00兩個時刻的溫度為代表來研究夏季鋼箱梁及鋪裝層晝夜兩個溫度場的分布情況，如圖4所示。

圖4 夏季鋼箱梁與鋪裝層溫度場示意圖

由圖4（a）結(jié)合計算結(jié)果可知，夏季白天整個鋼箱梁最高溫度集中于鋪裝層區(qū)域。這是夏季白天的高溫空氣對流以及強烈的太陽輻射作用所導致，加上瀝青混凝土材料的太陽輻射吸收率很高，使得整個鋪裝層都處于高溫狀態(tài)，平均溫度達到55℃以上，表面溫度更是超過了60℃；而鋼箱梁內(nèi)部由于不受到外部氣溫的直接對流交換以及太陽輻射作用，溫度相對于鋪裝層上升較為緩慢；由圖4（b）可知，進入夜晚之后，由于沒有了太陽輻射，氣溫隨之下降，導致空氣對流過程中，鋪裝層中累積的熱量散發(fā)至周圍環(huán)境中。同時因沒了太陽直射，鋪裝層內(nèi)熱量失去了一個主要來源，溫度相對于白天大幅下降。而此時，由于鋼箱梁內(nèi)部封閉的空氣與外界的對流效果較弱，形成了保溫效果，反而成為整個鋼箱梁結(jié)構(gòu)中溫度最高的區(qū)域。而內(nèi)部高溫空氣又通過鋼橋面板逐漸傳遞至鋪裝層，因此鋪裝層的溫度被始終維持在高于外界氣溫的水平之上。這個現(xiàn)象與范海波[5]等人對鋼箱梁內(nèi)部溫度場的實測結(jié)果相符。

為了能夠更清晰地反映鋪裝層溫度場的晝夜變化規(guī)律，將鋪裝層溫度場變化繪制成圖，如圖5所示。

圖5 夏季鋪裝層溫度場變化規(guī)律

由圖5可知，由于鋼箱梁內(nèi)部空氣對鋪裝層的“保溫”效果，鋪裝層的溫度在一天中的任意時刻均高于環(huán)境大氣溫度。白天由于炎熱的大氣環(huán)境以及強烈的太陽輻射作用，鋪裝層溫度要遠遠高于氣溫，表面溫度超過了60℃，使得鋪裝層的高溫穩(wěn)定性能面臨嚴峻考驗；與此同時，黏結(jié)層所在的鋪裝層底部溫度也達到了58℃，黏結(jié)層的高溫黏結(jié)性能也面臨著嚴峻考驗。因此，夏季高溫天氣下，鋪裝層受到極端氣溫的影響，內(nèi)部溫度非常高，對作為鋪裝層材料的瀝青混凝土，相比普通路用瀝青混凝土，高溫性能要求更高。普通路用瀝青混凝土通常采用60℃作為材料高溫穩(wěn)定性能試驗的試驗溫度，但對于鋼橋面鋪裝而言，應(yīng)當將這一標準提升至70℃左右方能夠滿足橋面鋪裝瀝青混凝土的高溫性能要求。而對于鋪裝層底面的黏結(jié)層而言，也至少應(yīng)當采用60℃作為黏結(jié)層高溫性能試驗的試驗溫度。

3.2 冬季鋼箱梁及鋪裝層溫度場分布

根據(jù)模型，對冬季鋼箱梁及鋪裝層溫度場進行計算，結(jié)果如圖6所示。

圖6 冬季鋼箱梁與鋪裝層溫度場示意圖

根據(jù)圖6顯示的結(jié)果，冬季由于太陽輻射較弱，外界氣溫較低，鋪裝層通過對外輻射與對流交換將自身大量熱量散發(fā)于周圍環(huán)境中，因此，鋪裝層溫度在14：00時刻的溫度相對于環(huán)境氣溫要低。高溫區(qū)域出現(xiàn)于鋼箱梁結(jié)構(gòu)之上，而橋面鋪裝層的溫度則相對較低。而晚間時刻，高溫區(qū)域出現(xiàn)于鋼箱梁內(nèi)部空間，與夏季規(guī)律較為一致。封閉的鋼箱梁環(huán)境使得內(nèi)部空氣的熱量得以保持，溫度高于環(huán)境大氣溫度，同時對鋪裝層傳遞熱量，在一定程度上對鋪裝層進行了“保溫”。

將鋪裝層溫度場變化繪制成圖，如圖7所示。

圖7 冬季鋪裝層溫度場變化規(guī)律

由圖7可知，鋪裝層溫度變化幅度在冬季要小于外界氣溫的變化幅度。這是由于白天太陽輻射較弱，對鋪裝層的加熱作用不夠強烈，同時外界氣溫本身較低，與鋪裝層之間的對流交換能量較小，導致鋪裝層的溫度上升緩慢。過了13：00時刻之后，氣溫開始下降，太陽輻射開始減弱，鋪裝層逐漸由吸收熱量轉(zhuǎn)變?yōu)樯l(fā)熱量，溫度又轉(zhuǎn)而下降；在夜間時段內(nèi)，由于失去了太陽輻射作用，同時環(huán)境氣溫較低，鋪裝層溫度也持續(xù)下降。但由于圖6（b）中所示鋼箱梁內(nèi)部溫度場相對較高，對鋪裝層起到了加熱保溫作用，因此鋪裝層溫度下降較氣溫下降速度要低，其最低溫度也高于最低氣溫。由圖7可知，鋪裝層及黏結(jié)層的最低溫度在-4℃左右，因此在鋪裝層低溫抗裂性能評價中，試驗溫度不應(yīng)高于-4℃，建議取-5℃。

4 結(jié)論

鋼橋面鋪裝層具有明顯的溫度敏感性，材料性能與溫度相關(guān)性較強。本文基于熱傳導理論，利用三維有限元分析法和ABAQUS軟件對鋼箱梁及鋪裝層之間的溫度場協(xié)同變化規(guī)律進行了分析，并根據(jù)鋪裝層溫度場變化特征，提出江蘇省內(nèi)鋼箱梁橋面鋪裝材料性能的溫度要求。本文主要得到以下幾點結(jié)論。

（1）夏季高溫條件下，在強太陽輻射與對流交換的作用下，鋪裝層溫度要遠高于環(huán)境大氣溫度，鋪裝層表面達到了60℃以上，對材料的高溫穩(wěn)定性能提出了較高的要求；鋪裝層底部即黏結(jié)層的溫度同樣接近60℃，黏結(jié)層在高溫條件下的黏結(jié)性能、抗剪性能必須得到嚴格保證。

（2）冬季低溫條件下，太陽輻射較弱，氣溫較低，對鋪裝層的加熱作用較小，鋪裝層的最高溫度低于環(huán)境最高氣溫。而夜間由于鋼箱梁內(nèi)部封閉空間的保溫作用，鋪裝層的溫度高于環(huán)境氣溫?？傮w而言，鋪裝層溫度的變化幅度要小于環(huán)境氣溫的變化幅度。

（3）由于鋼箱梁結(jié)構(gòu)的相對封閉特性，形成內(nèi)部相對獨立的溫度場，對于上部黏結(jié)層與鋪裝層具有保溫作用，導致鋪裝層最低溫度均高于環(huán)境最低氣溫。

（4）根據(jù)計算結(jié)果，江蘇省境內(nèi)長江流域鋼橋面鋪裝層及黏結(jié)層高溫性能試驗溫度推薦為70℃左右；低溫性能試驗溫度不高于-4℃，推薦為-5℃。

本文研究成果揭示了鋼箱梁與鋪裝層溫度場之間的協(xié)同變化規(guī)律，同時得出了鋼箱梁對上部黏結(jié)層及鋪裝層的“保溫”作用，提出了基于理論分析的鋪裝層結(jié)構(gòu)室內(nèi)高低溫性能試驗的推薦溫度，對于鋼橋面鋪裝層材料的選擇、設(shè)計、評價及進一步深入研究中試驗環(huán)境的設(shè)置，提供了理論基礎(chǔ)與參考借鑒。

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Law of Cooperative Change Between Steel Box Girder and Deck Surface

ZHAO Yan-jing1,2,ZHOU Lan3
(1.Nanjing Communications Institute of Technology,Nanjing 211188,China; 2.School of Civil Engineering,Southeast University,Nanjing 210096,China; 3.School of Transportation,Southeast University,Nanjing 210096,China)

In order to analyze the law of temperature field change of steel box girder(SBG)and deck surface under ambient temperature,ABAQUS was utilized to build a SBG and deck surface model for heat transfer analysis.With consideration of such influencing factors as solar radiation,air convection ex?change effect,effective radiation itself,etc.,the temperature fields of SBG and deck surface under ambient temperature filed in the Yangtze River valley in Jiangsu Province were analyzed combining with the typical law of ambient temperature changing in summer and winter.The results indicate that:the surface temperature periodically changes with ambient temperature;the temperature of surface is higher than ambient temperature in summer,the maximum temperature is over 60℃;the minimum temperature of surface is lower than-4℃in winter,which proposes higher requirement on high-temperature stability and low-temperature anti-cracking performance of deck surface.Besides,the steel box girder has obvious heat preservation effect,which makes the surface temperature higher than ambient temperature during night.

steel box girder deck;asphalt concrete surface;temperature field;three dimensional fi?nite element method;heat transfer analysis

U443.33

A

2095-9931（2015）03-0078-05

10.16503/j.cnki.2095-9931.2015.03.014

2015-04-22

中國博士后科學基金（2015M571644）

趙巖荊（1983—），男，江蘇宜興人，東南大學博士后，從事鋼橋面鋪裝研究工作。

E-mail：benbenzhao@gmail.com。