鋼橋面澆注式瀝青混合料施工過程溫度場(chǎng)分析

王 滔,胡德勇,汪 昊,常 城,王 民

(1. 重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司,重慶 400067; 2. 南京潤程交通科學(xué)研究院有限公司,江蘇 南京 210046)

0 引 言

澆注式瀝青混合料在高溫(220～240 ℃)攤鋪時(shí)具有較好的流動(dòng)性和施工和易性等特點(diǎn)[1-3]。但高溫?cái)備亷淼拇罂鐝戒摌驕囟葓?chǎng)分布問題一直以來都是國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)。姚燕雅[4]基于有限元軟件,從梁體的初始溫度、混合料下料溫度和風(fēng)速入手,簡(jiǎn)化了澆注式瀝青混合料在攤鋪工程中截面溫度梯度的各參數(shù)選值;錢振東等[5]采用數(shù)值模擬方法對(duì)澆注式瀝青混合料攤鋪過程中的鋼橋面溫度場(chǎng)分布規(guī)律進(jìn)行了分析,擬合了最不利的溫度荷載公式;鄭勝[6]建立了鋼箱梁三維有限元模型,分析了澆注式瀝青混合料攤鋪過程中溫度場(chǎng)對(duì)橋面系結(jié)構(gòu)變形、位移、支座受力的影響規(guī)律;沈聰?shù)萚7]基于熱傳學(xué)、太陽輻射等原理,利用Abaqus有限元軟件建立了鋼箱梁橋及橋面鋪裝的三維模型,分析了在極端高溫情況下的溫度場(chǎng);劉陽[8]基于瞬態(tài)溫度場(chǎng)理論和熱傳導(dǎo)理論,建立了鋼箱梁傳遞模型,分析了溫度場(chǎng)特征、影響因素及鋪裝層層間溫度效應(yīng)。

總之,國內(nèi)外學(xué)者普遍都是基于特定的溫度、風(fēng)速、攤鋪速度等條件,采用有限元模型對(duì)澆注式瀝青混合料攤鋪過程中的溫度分布規(guī)律進(jìn)行分析。然而施工現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)速、攤鋪速度等諸多外界因素往往會(huì)對(duì)澆注式瀝青混合料攤鋪后的溫度場(chǎng)分布有較大影響。因此有必要對(duì)不同風(fēng)速、攤鋪速度等情況下的溫度場(chǎng)分布規(guī)律進(jìn)行分析,為澆注式瀝青混合料攤鋪工藝優(yōu)化提供理論依據(jù),避免因溫縮變形等對(duì)橋面系結(jié)構(gòu)造成損傷。

1 溫度場(chǎng)有限元模型

1.1 基本假設(shè)

澆注式瀝青混合料在鋪筑過程中,實(shí)際情況及環(huán)境往往復(fù)雜多變,溫度場(chǎng)分布也是一個(gè)復(fù)雜邊界的三維瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問題。在進(jìn)行溫度場(chǎng)分析時(shí),根據(jù)Abaqus軟件特點(diǎn),可提出如下假設(shè)[9-11]:

1)材料連續(xù)、各向同性;

2)瀝青混合料及鋼材物理性能不隨溫度變化;

3)橋面鋪裝層結(jié)構(gòu)為帶狀物,鋪裝層間接觸良好,層間溫度和熱流連續(xù)。

1.2 溫度場(chǎng)有限元模型

筆者以武漢沌口長江大橋?yàn)楣こ桃劳?建立溫度場(chǎng)有限元模型。該橋主梁為PK斷面鋼箱梁,行車道鋪裝結(jié)構(gòu)為甲基丙烯酸甲酯樹脂(以下簡(jiǎn)稱“MMA”)防水體系+3.5 cm澆注式瀝青混合料GA10+3.5 cm高彈改性SMA10。

采用Abaqus軟件建立有限元模型時(shí),模型尺寸為46.0 m×12.0 m,鋼橋面系構(gòu)造參數(shù)見表1[12-13],材料參數(shù)見表2[6,14-15]。材料的環(huán)境溫度為30 ℃,對(duì)流換熱系數(shù)為13.9 W/(m2·K),輻射換熱系數(shù)為0.81 W/(m2·K),界面熱阻系數(shù)為0.002 218 (m2·K)/W。三維有限元模型建立過程中,采用實(shí)體單元模擬橋面鋪裝結(jié)構(gòu)層和鋼箱梁頂板,采用殼單元模擬加勁肋、橫梁等正交異性鋼橋面板組件,內(nèi)部采用絕熱式邊界條件。計(jì)算分析過程中,攤鋪寬度為6 m,攤鋪溫度為240 ℃,計(jì)算模型見圖1。

表1 鋼橋面系構(gòu)造參數(shù)Table 1 Structural parameters of steel bridge deck mm

表2 材料參數(shù)Table 2 Material parameters

圖1 有限元模型示意Fig. 1 Schematic diagram of finite element model

1.3 溫度區(qū)間設(shè)置

在澆注式瀝青混合料施工時(shí),攤鋪機(jī)相當(dāng)于移動(dòng)熱源,沿著鋼橋縱向移動(dòng),已攤鋪的混合料對(duì)攤鋪機(jī)前進(jìn)方向的鋼橋面板有預(yù)熱作用,在模型計(jì)算時(shí)無法將澆注式瀝青混合料一次性施加到鋼箱梁上;故采用生死單元控制技術(shù)模擬澆注式瀝青混合料的攤鋪過程。將縱向12 m的攤鋪區(qū)域均分為10段,并將區(qū)域內(nèi)的鋪裝層單元全部殺死;設(shè)置10個(gè)分析步,根據(jù)攤鋪速度逐步激活單元,每個(gè)分析步完成時(shí),向前攤鋪一段,以此模擬攤鋪機(jī)作為熱源傳遞溫度的過程。在三維模擬過程中,將溫度荷載作用的施工區(qū)域劃分為攤鋪區(qū)、攤鋪邊緣區(qū)及攤鋪無影響區(qū)域,如圖2。

2 溫度場(chǎng)分布特征分析

2.1 不同區(qū)域溫度場(chǎng)分布特征

模擬不同區(qū)域溫度場(chǎng)時(shí),攤鋪速度設(shè)定為3 m/min,風(fēng)速設(shè)定為1 m/s,時(shí)間步設(shè)定為60 s。溫度場(chǎng)模擬結(jié)果如圖3;鋪裝層表面、攤鋪區(qū)域鋼板表面、攤鋪邊緣和未攤鋪區(qū)域鋼板表面溫度模擬結(jié)果如圖4。

圖2 溫度加載區(qū)間示意Fig. 2 Schematic diagram of temperature loading interval

圖4 各區(qū)域測(cè)點(diǎn)溫度變化Fig. 4 Temperature changes at measuring points in various regions

2.1.1 攤鋪區(qū)鋪裝層表面測(cè)點(diǎn)溫度變化

由圖4(a)可知:當(dāng)澆注式瀝青混合料攤鋪完成后,鋪裝層表面溫度隨時(shí)間推移呈逐漸下降的趨勢(shì)。該趨勢(shì)主要分為3個(gè)階段:① 急劇下降階段:主要體現(xiàn)在攤鋪完成后5 min內(nèi),澆注式瀝青混合料表面熱量向外迅速擴(kuò)散、傳遞;② 快速下降階段:主要體現(xiàn)在攤鋪完成后5～17 min內(nèi),由于澆注式瀝青混合料內(nèi)部的熱量經(jīng)過補(bǔ)充,表面溫度下降有所減緩;③ 緩慢下降階段:當(dāng)溫度下降到140 ℃后,整個(gè)澆注式瀝青混合料鋪裝層溫度下降速率再次變慢,其溫度作用時(shí)間也最長。

2.1.2 攤鋪區(qū)鋼板表面測(cè)點(diǎn)溫度變化

攤鋪區(qū)鋼板表面測(cè)點(diǎn)溫度是指鋼橋面頂板底部的溫度。由圖4(b)可知:在澆注式瀝青混合料攤鋪過程中,鋼橋面頂板底部溫度急劇上升,在混合料攤鋪完17 min時(shí)達(dá)到最高溫度,為120 ℃;隨后鋼橋面頂板熱量向鋼箱梁內(nèi)部空氣、U肋、橫隔板、縱腹板等擴(kuò)散,溫度逐漸慢速下降;約1 h后鋼橋面頂板溫度保持在100 ℃左右。

2.1.3 攤鋪區(qū)邊緣測(cè)點(diǎn)溫度變化

攤鋪區(qū)邊緣是指與澆注式瀝青混合料鋪裝層間距為0 cm的位置。由圖4(c)可知:在澆注式瀝青混合料攤鋪時(shí),攤鋪區(qū)邊緣溫度急劇上升,并接近混合料的攤鋪溫度;當(dāng)攤鋪完成后,該區(qū)域溫度逐漸下降,初期溫度下降較快;當(dāng)10 min左右時(shí)該區(qū)域溫度下降到約130 ℃,隨后下降速率減緩;在60 min后,該區(qū)域溫度下降到81 ℃。

2.1.4 未攤鋪區(qū)鋼板表面測(cè)點(diǎn)溫度變化

未攤鋪區(qū)是指距離澆注式瀝青混合料攤鋪區(qū)邊緣20 cm以外的區(qū)域。在有限元分析過程中,筆者對(duì)距離攤鋪區(qū)邊緣50 cm的鋼橋面頂板底部溫度分布進(jìn)行分析。由圖4(d)可知:由于該區(qū)域距離攤鋪區(qū)域較遠(yuǎn),其溫度變化呈現(xiàn)出明顯滯后,在經(jīng)過27 min熱傳遞后,達(dá)到86 ℃的最高溫度;后期在澆注式瀝青混合料溫度持續(xù)作用下,其溫度緩慢下降,在60 min后該區(qū)域溫度仍為76 ℃。

2.2 風(fēng)速對(duì)攤鋪溫度場(chǎng)影響

風(fēng)速直接影響橋面結(jié)構(gòu)和大氣之間的對(duì)流交換作用。在模擬計(jì)算過程中,用對(duì)流放熱系數(shù)hr來表征風(fēng)速對(duì)溫度場(chǎng)帶來的影響[11],如式(1):

(1)

式中:Ts為鋪裝層表面溫度;Ta為環(huán)境溫度;v為風(fēng)速。

當(dāng)風(fēng)速為1、2、3、5 m/s時(shí),在不同時(shí)間下鋪裝層表面溫度和鋼橋面頂板底部溫度如圖5。由圖5(a)可知:隨著風(fēng)速增大,鋪裝層表面降溫幅度顯著增大。當(dāng)風(fēng)速為1 m/s時(shí),溫度下降較為緩慢;當(dāng)風(fēng)速持續(xù)增長為3 m/s時(shí),溫度下降較為明顯;當(dāng)風(fēng)速達(dá)到5 m/s時(shí),溫度下降十分顯著。此外隨著時(shí)間變化,澆注式瀝青混合料受風(fēng)速影響較大;當(dāng)風(fēng)速為1 m/s時(shí),最高溫度可達(dá)240 ℃;當(dāng)風(fēng)速為5 m/s時(shí),最高溫度為215 ℃,降低了約25 ℃。由圖5(b)可知:當(dāng)風(fēng)速為1 m/s時(shí),鋼橋面頂板溫度約為150 ℃。

圖5 不同風(fēng)速影響下各位置溫度場(chǎng)變化Fig. 5 Temperature field changes at different locations under the influence of different wind speeds

總體而言,風(fēng)速對(duì)澆注式瀝青混合料表面溫度散失影響較大,對(duì)鋼橋面頂板底部溫度散失影響不顯著。為避免風(fēng)速過大導(dǎo)致混合料熱量快速散失,進(jìn)而影響施工和易性,澆注式瀝青混合料卸料點(diǎn)應(yīng)盡可能地接近攤鋪機(jī)。

2.3 攤鋪速度對(duì)溫度場(chǎng)影響

根據(jù)澆注式瀝青混合料施工的工藝特點(diǎn),攤鋪速度對(duì)鋼橋面頂板底部的溫度場(chǎng)有較大影響。通過有限元模擬攤鋪速度分別為2.5、3.0、3.5、4.0、5.0、6.0 m/min時(shí)的溫度場(chǎng)變化,結(jié)果如圖6。

圖6 不同攤鋪速度下鋼橋面的溫度場(chǎng)變化Fig. 6 Temperature field changes of steel-deck under different paving speed

由圖6可知:鋼橋面頂板最高溫度隨攤鋪速度的增大逐步上升。當(dāng)攤鋪速度為6.0 m/min時(shí),最高溫度為166 ℃;當(dāng)攤鋪速度為2.5～3.0 m/min時(shí),溫度趨于穩(wěn)定和平衡。因此,在保障攤鋪效率前提下,為避免鋼橋面系在攤鋪過程中的溫度應(yīng)力集中,攤鋪速度宜為2.5～3.0 m/min。

3 實(shí)橋監(jiān)測(cè)分析

為了驗(yàn)證有限元模擬分析的準(zhǔn)確性和差異性,筆者在澆注式瀝青混合料施工期間(2018年8月15日中午),采用溫度傳感器監(jiān)測(cè)了各結(jié)構(gòu)層的溫度,各測(cè)點(diǎn)溫度傳感器布置方案如表3。

表3 溫度傳感器設(shè)置情況Table 3 Temperature sensor setting conditions

在澆注式瀝青混合料攤鋪時(shí),出料溫度為241.6 ℃,混合料劉埃爾流動(dòng)性為42 s,大氣溫度約為35 ℃,橋面風(fēng)速約為3.5 m/s,溫度采集頻率為30 s/次,實(shí)橋各測(cè)點(diǎn)溫度變化如圖7。由圖7可知:澆注式瀝青混合料表面最高溫度(190 ℃)比出料溫度低51.6 ℃,防水黏結(jié)層表面最高溫度(196 ℃)比出料溫度低45.6 ℃,比理論計(jì)算的溫度低很多。這一方面是因?yàn)闈沧⑹綖r青混合料在卸料過程存在一定的溫度損失;另一方面是因?yàn)樾读宵c(diǎn)混合料在等待攤鋪過程中溫度有所散失。

根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),在澆注式瀝青混合料攤鋪過程中,COOKER運(yùn)輸車的卸料點(diǎn)與攤鋪機(jī)距離宜控制在0.5～1.5 m,以避免攤鋪過程中溫度散失過多而導(dǎo)致混合料和易性變差,進(jìn)而避免導(dǎo)致攤鋪后出現(xiàn)麻面等情況。由圖7還可看出:鋼橋面頂板底部實(shí)測(cè)最高溫度為103 ℃(比攤鋪溫度低138.6 ℃),最高溫度出現(xiàn)滯后時(shí)間為30 min(比理論計(jì)算延長了13 min)。其主要原因是:在有限元模擬過程中忽略了MMA防水黏結(jié)層(厚度有2 mm)的吸熱和阻熱效應(yīng);此外澆注式瀝青混合料實(shí)際攤鋪過程中溫度散失比理想狀態(tài)下快,進(jìn)而導(dǎo)致鋼橋面頂板底部最高溫度比理論計(jì)算低。總體而言,澆注式瀝青混合料在實(shí)際施工過程中,混合料表面實(shí)測(cè)最高溫度與有限元模擬存在一定差異,但變化趨勢(shì)一致,呈現(xiàn)為“三階段”變化。

4 結(jié) 論

筆者以武漢沌口長江大橋鋼橋面鋪裝工程為例,通過有限元模型和實(shí)橋監(jiān)測(cè)分析了澆注式瀝青混合料施工過程中溫度場(chǎng)分布情況,得出如下結(jié)論:

1)澆注式瀝青混合料在施工過程中,通過有限元模擬得出的最高溫度和實(shí)測(cè)溫度存在一定差異,但變化趨勢(shì)基本一致,混合料表面溫度下降呈“三階段”變化趨勢(shì),即急劇下降階段、快速下降階段和緩慢下降階段;

2)實(shí)橋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示:澆注式瀝青混合料攤鋪對(duì)鋼橋面系溫度場(chǎng)影響有限,鋼橋面頂板最高溫度為103 ℃(比攤鋪溫度低138.6 ℃),滯后時(shí)間為30 min,由于MMA防水黏結(jié)層的吸熱及阻熱效應(yīng),比有限元模擬延長了13 min。此外鋼橋面頂板最高溫度持續(xù)時(shí)間較短,僅有8 min;

3)為避免鋼橋面系在攤鋪過程中出現(xiàn)溫度應(yīng)力集中,攤鋪速度宜控制在2.5～3.0 m/min。當(dāng)風(fēng)速大于3 m/s時(shí),澆注式瀝青混合料溫度散失較為明顯,為降低溫度散失對(duì)施工和易性影響,混合料卸料點(diǎn)應(yīng)盡可能地接近攤鋪機(jī),距離宜控制在0.5～1.5 m。