混凝土箱梁橋瀝青鋪裝豎向溫度場室內研究

陳海鵬，李新生，沈菊男

（蘇州科技學院土木工程學院，江蘇蘇州215011）

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混凝土箱梁橋瀝青鋪裝豎向溫度場室內研究

陳海鵬，李新生，沈菊男

（蘇州科技學院土木工程學院，江蘇蘇州215011）

摘要：對室內預制混凝土箱梁結構進行瀝青高溫攤鋪模擬，研究了瀝青高溫對箱梁截面溫差的影響分布規律。在預制小箱梁的頂板及沿截面高度方向埋入溫度傳感器，室內模擬4 cm厚AC-13瀝青混合料高溫攤鋪，對所有溫度測點進行了12 h的實時觀測。對瀝青高溫攤鋪引起的箱梁截面溫差分布規律進行了統計和回歸分析，結果表明，對腹板的影響深度約在40 cm以內；測點距頂板距離與測點達到最高溫值的滯后時間成二次函數關系；測點最大溫度變化值與各測點距頂板距離成對數關系。

關鍵詞：箱梁橋；室內試驗；熱拌瀝青混合料；溫度分布

當前高等級公路、城市橋梁的橋面鋪裝大都采用瀝青混合料鋪裝，而各種瀝青混合料攤鋪時均要求在高溫條件下作業。許多橋梁主梁結構在未進行瀝青攤鋪之前橋梁表面技術情況良好，而在瀝青攤鋪之后，則在主梁腹板、頂板以及翼緣板等部位均有不同程度的新裂縫出現。在連續箱梁橋中，溫度應力可以達到甚至超出混凝土的極限拉應力，所以被認為是混凝土梁橋產生裂縫的主要原因之一。根據我國《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）[1]中關于熱拌瀝青混合料施工溫度的規定，施工時根據不同的混合料類型及其下臥層溫度，瀝青混合料的攤鋪溫度在124～165℃之間。如此高的溫度必然會在橋梁結構斷面內沿高度方向引起溫差分布，但是溫差分布如何，將對橋梁結構產生哪些不利影響，現行規范中沒有任何條文規定，所以這個問題有待進一步探索。

劉其偉教授[2-4]分別對鋼-混凝土組合連續箱梁、鋼筋混凝土箱梁橋在瀝青高溫攤鋪后的溫度場進行了一系列的現場實測。朱俊和武建采用有限元分析程序ANSYS做了瀝青攤鋪試驗的模擬研究[5-6]。夏慧媛及郝東東采用了ANSYS等結構分析程序模擬分析了瀝青高溫攤鋪后的溫度場[7-8]和由此產生的溫度應力。丁峰等[9]也是對實橋進行研究，對攤鋪后箱梁的溫度應力進行分析，并且對攤鋪前后箱梁的裂縫進行對比。

以上學者的研究主要是工程軟件模擬分析和野外實橋現場測試。采用模型分析的方法對影響試驗結果的諸多因素考慮不周全，得出的模擬試驗數據比較理想化，其數據可靠性有待進一步深入研究，而采用野外實橋現場測試的方法不僅測試現場影響因素過多，很難進行試驗變量的準確控制，又由于室外進行工作，將消耗大量人力物力財力，進行試驗困難較大。文中針對以上問題采用預制混凝土箱梁在室內模擬瀝青高溫攤鋪，通過事先預埋的溫度測點，結合了以上兩種試驗方法的優點，對瀝青攤鋪試驗進行研究。

1　試驗方案、材料及設備要求

1.1試驗方案

根據現行標準預制小箱梁的尺寸，按照1∶2斷面進行室內模型預制，預制長度2 m，如圖1所示。預制箱梁混凝土采用C30，根據計算按構造要求配置相應的主筋、箍筋，其中主筋采用HRB335鋼筋，箍筋采用R235鋼筋。

在箱梁頂板（見圖1）布置15個溫度測點，兩側腹板中間各布置11個溫度測點，底板中間布置3個溫度測點。圖2為本試驗溫度測點埋設效果圖。

箱梁混凝土養護28 d之后，預先用4個40升保溫桶盛滿拌和好的高溫AC-13瀝青混合料。混合料出場溫度165℃，運送至試驗場地用時30 min，降溫8～10℃，攤鋪溫度控制在155℃。混合料到場后迅速人工碾壓，松鋪系數經預先試驗確定約為1．1，碾壓時間約5 min，碾壓后厚度按4 cm控制。

攤鋪碾壓前對箱梁所有測點進行初始溫度測讀，碾壓5 min后，至2 h以內每隔5 min采集一次讀數；在2～4 h內每隔10 min采集一次；在4～6 h內每隔20 min采集一次；在6～12 h內每隔30 min采集一次。

由于測點數量多，溫度變化數據采集盡量要求快速、同步，因此根據現場條件及數據采集器的數量，安排15位同學同時進行數據采集與記錄，其中1個為總指揮，7個讀數，7個記錄。

1.2試驗材料及設備要求

（1）箱梁內溫度測點：采用興化市繁榮電熱儀表廠生產的JDC-2型溫度傳感器，測量溫度范圍為-30～130℃，測試精度為±0．5℃；該溫度采集采用其配套的讀數儀。

圖1　溫度測點布置圖

圖2　溫度測點埋設效果圖

（2）瀝青混合料及環境溫度：采用長30 cm左右水銀溫度計，測量溫度范圍為0～100℃，溫度測試精度為±0．5℃。

1.3試驗過程簡介

本課題試驗時間為2015年5月8日，天氣晴、多云，氣溫17～25℃。上午9:00于蘇州三創路面工程有限公司拌和樓裝料，9:40運料至試驗場地，9:45進行溫度測點初始讀數采集，9:50開始攤鋪。混合料攤鋪時8人同時將其傾倒至箱梁頂板，盡可能減小受熱不均現象，攤鋪過程中未發現離析現象產生。為方便后期瀝青混合料鏟除，試驗前在箱梁頂面鋪撒厚約1 mm礦粉。

9:55第1次讀數，11:55之前每隔5 min測讀1次，11:55～13:55之間每隔10 min測讀1次，13:55～15:55之間每隔20 min測讀1次，15:55～21:55之間每隔30 min測讀1次，本試驗過程持續約12 h。

2　試驗結果分析

2.1腹板處各測點沿高度方向溫度變化

文獻[2]認為瀝青上面層攤鋪時下面層瀝青有明顯的隔熱作用，下面層瀝青攤鋪對箱梁結構溫度變化效應的作用明顯，因此重點研究觀測了下面層瀝青攤鋪對箱梁結構溫度效應的影響。文獻[10]研究結構認為頂板在調平層達到最高溫時最不利，底板、腹板的最不利時間比調平層達到最高溫約滯后30 min左右，且梁體在攤鋪后2 h內為不利時間段。本次試驗共測量了瀝青混合料攤鋪后12 h內箱梁結構的溫度變化情況，根據實測數據再加之分析[2，10]，這里僅列出瀝青混合料攤鋪后4 h內不同時刻箱梁腹板沿高度方向的溫度變化曲線，如圖3所示。根據圖3數據及各曲線分析可得到以下結論：

（1）箱梁結構在攤鋪瀝青混合料后，箱梁各部分溫度變化作用明顯，沿高度方向各測點的溫度變化各異。頂板頂面溫度變化值最大，最大溫差約37℃，底板溫度變化很小，實測只有1．5℃左右。

（2）頂板頂面在35 min之內溫度變化到最大值37℃，平均變化為1．06℃/min。頂板底面在125 min之內溫度變化到最大值21．9℃，平均變化為0．18℃/min。箱梁中性軸位置處在335 min之內溫度變化到最大值8．5℃，平均變化為0．03℃/min。離頂板距離越遠，溫度變化到最高值所需時間越長。

（3）距箱梁頂板頂面40 cm以內的測點在瀝青攤鋪之后溫度變化明顯，而40 cm以外的測點溫度變化較小。表明本試驗中瀝青高溫攤鋪對箱梁結構的影響深度為40 cm。

2.2頂板中間測點溫度變化

由上圖3數據分析得知，頂板在混合料攤鋪后75 min左右所有測點均已達到最高溫，因此下文只列舉了頂板中間測點在瀝青攤鋪后20～125 min內主要時刻的溫度變化曲線，可得出沿頂板截面高度方向溫度測點達到最高溫所用時間隨其距頂板距離增大而增加，其所能達到的最高溫度值隨其距頂板的距離增大而減小。另可見測點溫度變化速率隨其距頂板距離的增加而減小。其變化規律如圖4所示。從圖4數據可以得出以下三點結論：

（1）混凝土箱梁攤鋪高溫瀝青混合料后，頂板中間截面頂板測點最大溫度變化值大約為42℃，大于圖3結論。這是由于瀝青混合料攤鋪后頂板兩側熱量將往中間傳遞，使得中間測點溫度高于兩側測點的溫度。

（2）頂板中間截面頂板測點大約在攤鋪后40 min后溫度值達到最大，此結論比圖3稍大。由于該測點溫度變化值比圖3溫度變化值大，溫度上升所需時間大于圖3所需時間。

（3）箱梁頂板中間測點在瀝青混合料攤鋪后95 min時間內溫度都已經達到最大值。

2.3翼緣測點溫度變化

翼板測點溫度在混合料攤鋪后85 min均已達到最大溫度變化值，因此圖5列出了20～105 min內主要時刻的溫度變化曲線。其變化規律與圖4相似，此處不再贅述。其變化規律見圖5所示，分析圖5可得以下兩點結論：

（1）混凝土箱梁攤鋪瀝青混合料后，翼板截面頂板測點溫度變化值最大約40℃，略低于圖4結論，這是由于翼緣處瀝青混合料與空氣的對流面積明顯大于頂板中間處瀝青混合料與空氣的對流面積。

（2）翼緣截面頂板測點大約在攤鋪后40 min測點溫度值達到最大，次結論與圖4相同；全部測點大約在混合料攤鋪后85 min內溫度值均已達到最大，此結論只比圖4早10 min。以上結論與圖4較吻合，說明頂板中間截面與翼緣截面溫度變化基本同步。

圖3　腹板處測點沿高度方向溫度變化

圖4　頂板中間溫度變化曲線圖

圖5　翼緣測點溫度變化曲線

2.4底板測點溫度變化

底板測點溫度在混合料攤鋪后約285 min達到最大溫度變化值，圖6列出了底板溫度測點在攤鋪后70～300 min內主要時刻溫度變化值。其結果顯示底板測點在高溫瀝青混合料攤鋪后溫度變化很小，最大溫度變化值出現在瀝青混合料攤鋪后300 min，達到2．5℃。其值相對于頂板、翼板等部位的溫度變化值而言可忽略不計。底板測點溫度變化規律見圖6所示。

2.5腹板沿高度方向各測點達到最大溫度值的時間

測點達到最大溫度值所花時間圖隨其距頂板距離增加而增加，據觀測數據得頂板滯后時間為35 min，底板滯后時間為400 min，見圖7所示。分析圖7數據可得以下兩點結論：

（1）據圖7中公式計算頂板與底板測點達到最高溫值的滯后時間分別大約為35、400 min，此結論與圖3實測結果所得結論吻合均較好。

（2）由于混凝土材料的導熱系數很小，箱梁混凝土頂面攤鋪高溫瀝青后其熱量較難往下面層混凝土傳遞，導致與頂板距離越大的測點達到最高溫度值的滯后時間越長。

2.6腹板沿高度方向各測點的溫度變化最大值與其距頂板距離關系

圖6　底板測點溫度變化曲線

圖7　測點最高溫度的滯后時間

圖8　測點最大溫度變化與測點距頂板距離

頂板最大溫度變化值大約為36℃，底板大約為2℃，與實測結果非常吻合。圖8所示測點最大溫度變化值隨其距頂板距離增加而減小，且距頂板距離越大溫度變化值變化越緩慢。分析圖8可得以下三點結論：

（1）當x分別取1 cm與60 cm時，T分別為36℃與2℃，此結論與圖3所得實測結果吻合非常好。

（2）距箱梁頂面40 cm以內測點最大溫度變化較大，在40 cm以上測點溫度變化很小，說明該試驗對箱梁混凝土的影響范圍在距頂板40 cm以內。

（3）由于箱梁混凝土導熱系數很小，箱梁混凝土頂面攤鋪高溫瀝青后其熱量較難往下面層混凝土傳遞，導致測點所能達到的最高溫度變化值隨著其至頂板的距離急劇減小。

3　結論

（1）試驗中瀝青高溫攤鋪對箱梁的影響深度為40 cm。頂板溫度在短短35 min之內溫度變化37℃，平均變化1.06℃/min；如此快的升溫速度在設計施工中是不可忽視的。

（2）試驗中瀝青高溫攤鋪對箱梁結構的影響深度為40 cm。

（3）底板溫度變化值相對于頂板、翼板等部位的溫度變化值而言較小，可忽略不計。

（4）測點距頂板距離與測點達到最高溫值的滯后時間成二次函數關系，即t=-0.1561x2+15.279x+33.299，決定系數R2=0.975 7；說明箱梁不同高度測點達到最高溫度是呈二次函數遞減的。

（5）測點最大溫度變化值（測點達到的最高溫減去初始溫度值）與各測點距頂板距離成對數關系，即T=-8.338lnx+36.315，決定系數R2=0.991 4。

參考文獻：

[1]交通部公路科學研究所.JTG F40-2004公路瀝青路面施工技術規范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[2]劉其偉，鄧祖華，肖飛.鋼筋混凝土箱梁橋瀝青攤鋪溫度梯度模式的研究[J].公路工程，2011，4（36）：45-54.

[3]劉其偉，丁峰，朱俊，等.鋼-混凝土組合箱梁瀝青攤鋪溫度場試驗[J].東南大學學報（自然科學版），2006，1（36）：572-575.

[4]劉其偉，朱俊，唐蓓華，等.瀝青高溫攤鋪時鋼筋混凝土箱梁的溫度分布試驗[J].中國公路學報，2007，4（20）：96-100.

[5]朱俊.鋼筋混凝土連續箱梁橋日照溫度場及瀝青攤鋪溫度場研究[D].南京：東南大學，2005.

[6]武建.鋼筋混凝土連續箱梁橋瀝青攤鋪溫度應力研究[D].南京：東南大學，2008.

[7]夏慧媛.混凝土箱型梁橋橋面鋪裝溫度效應研究[D].西安：西安建筑科技大學，2011.

[8]郝東東.鋼筋混凝土箱梁瀝青攤鋪時溫度場及溫度應力的研究[D].西安：長安大學，2012.

[9]丁峰，章榮福.瀝青高溫攤鋪對鋼筋混凝土箱梁的影響[J].山西建筑，2009，8（35）：308-310.

[10]魯正蘭，楊春蘭，董瑞琨，等.瀝青路面攤鋪時溫度場的時空分布[J].重慶建筑大學學報，2004，26（6）：49-52.

通信聯系人：沈菊男（1963-），男，江蘇蘇州人，教授，博士，從事瀝青路面及材料的教學和研究；shenjunan@hotmail．com。

（責任編輯：秦中悅）

Laboratory study on vertical temperature distribution of bridge caused by HMA during paving

CHEN Haipeng, LI Xinsheng, SHEN Junan
（School of Civil Engineering, SUST, Suzhou 215011, China）

Abstract：Vertical temperature distribution on reinforced concrete box girder ridge caused by HMA during paving was investigated.Temperature sensors were embedded in the reinforced concrete box girder along the height of the girder to measure the grade of the temperature along the depth of the girder.Temperatures of the sensors along the depth were monitored for 12 hours all the real-time sooner after HMA of AC-13 with a 4 cm thickness of AC-13 was paved.Research results showed that: the influencing depth of temperatures on the box girder is 40 cm; the time the highest temperature raised is a quadratic function of the depth of the girder; a logarithmic relationship was found for the highest temperature change and its distance to the deck.

Key words：bridge deck; laboratory study; HMA; temperature distribution

中圖分類號：U443．33

文獻標識碼：A

文章編號：1672-0679（2016）01-0034-04

[收稿日期]2015－08-15

[作者簡介]陳海鵬（1990-），男，浙江金華人，碩士研究生。