水泥混凝土桥面沥青铺装层低温温度场分析.pdf

第2 5 卷第4 期 2 0 0 8 年 1 2月 华中科技大学学报( 城市科学版) J o f HUS T( Ur b a n S c i e n c e Ed i t i o n) Vo 1 25 NO4 De c 2 0 0 8 水泥混凝土桥面沥青铺装层低温温度场分析 王 虹 ，吴少鹏 1 ，刘聪慧 1 7王根艳 2 ( 1 武汉理工大学 硅酸盐工程中心，湖北 武汉 4 3 0 0 7 0 ； 2 中国五环化学工程公司 五环科技股份有限公司，湖北 武汉 4 3 0 2 2 3 ) 摘要： 桥面铺装层在使用期间内产生温度裂缝是水泥混凝土桥面沥青铺装层常见的问题。 提高铺装层的抗裂 性能是桥面铺装体系结构设计的重要课题。低温开裂是导致桥面铺装层发生破坏的主要原因。本文在对寒冷地 区标准气候研究计算的基础上， 分析了典型的混凝土桥面沥青铺装体系中沥青铺装层在连续降温条件下铺装层 表面温度变化、梯度变化规律，以及铺装层表面最温差的变化，最终为混凝土桥面沥青铺装层抗裂设计提供理 论依据。 关键词：沥青铺装层；水泥混凝土桥；低温；温度场 中图分类号：U4 1 6 2 1 7 ；T U6 6 3 文献标识码：A 文章编号：1 6 7 2 7 0 3 7 ( 2 0 0 8 ) 0 4 0 2 5 3 0 4 桥面铺装是桥梁行车体系的重要组成部分， 是桥梁建设的关键技术之一。桥面铺装层在使用 期间内产生温度裂缝是世界各地大跨径桥面铺装 层常见的问题。铺装层裂缝既影响桥面的美观、 降低平整度 ，又削弱桥面的整体承载力，特别是 铺装层开裂后水分通过裂缝腐蚀桥面板，加速 了 铺装层的破坏 ，缩短 了铺装层 的使用寿命。提 高铺装层的抗裂性能是桥面铺装体系结构设计的 重要课题。 目前， 国内外学者对道路的温度场研究颇多， 但对桥面铺装层温度场 的研究尚未见文献报道 。 路面温度场理论并不适用于桥面铺装层 ，而温度 又是影响桥面铺装材料使用寿命的重要因素，因 此有必要对桥面铺装层的温度场进行研究。 本文针对典型的混凝土桥面沥青铺装体系， 建立合理的力学模型，借助标准气象资料来掌握 确定桥面铺装层温度场 ，研究沥青铺装层在连续 降温条件下的温度变化规律，为混凝土桥面沥青 铺装层抗裂设计提供理论依据 。 1 研究方法 桥梁结构置于 自然环境中，长期经受气温变 化和 日照辐射等影响 。影响桥面铺装层温度场 的主要因素为太阳辐射、大气对流换热 以及桥面 与空气间辐射换热。 1 1 基本假定 根据沥青混凝土桥面铺装层的实际情况，研 究 由N层不 同材料组成的层状桥面结构 的温度场 问题，基本假设如下 ： ( 1 ) 沥青混凝土铺装层及水泥混凝土箱形梁 均为完全均匀、各向同性 的弹性体 ； ( 2 ) 桥梁纵向温度分布一致， 不考虑温度沿桥 面纵向分析分布的变化； ( 3 ) 桥面铺装层各层间接触紧密 ， 忽略层间热 阻，层间温度和热流连续； ( 4 ) 箱梁内空气视为优良的隔热层r2 J 。 1 2 计算模型 根据国内 目前高速公路桥梁主要结构形式， 暂不考虑路面结构形式和各结构层材料的多样性 和变化性，选择水泥混凝土箱形梁桥沥青铺装层 结构进行研究分析 。在进行箱梁温度场分析时， 可以将三维温度场简化为二维温度场来处理 J 。 模型如图 l 所示。 图 1 桥面铺装层有限元模型 收稿 日期：2 0 0 8 0 6 0 5 作者简介：王虹 ( 1 9 8 1 ) ，女，山西忻州人，博士研究生，研究方向为沥青混凝土，w a n g h o n g w h u t e d u c a 。 2 5 4 华中科技大学学报 ( 城市科学版) 2 0 0 8年 1 3 气候条件 根据我国北方地区典型的气候条件，长春市 1 9 9 3年 1 2月 2 3日出现的连续降温过程是很有 代表性的 ，本文 以此气候条进行分析计算 。见 表 1 所示。 表 1 气候条件 日 期丁 m 7 1 n O MJ n r v m s y f c I 1 表 中：r n 为 日最高气温 ；r I1 为 曰最低气温； Q r 为太阳辐射 日总量 ；v为 日平均风速 ；y l 为 日 总云量 ；C为 日照时间。 为了便于分析大气温度作用下铺装层的逐时 温度变化规律 ， 依据Ba r b e r 提 出的公式进行计算， 得 出 2 4小时逐时大气温度 以及逐时太阳辐射总 量 2 , 4 - 6 。 ( ) 三 + 0 6 s i n co ( t to ) 】 + 0 1 4 6 s i n 2 m ( t t o ) 】 ) Q( t ) = O O 1 3 1 mQ c o s ma , ( t 一1 2 1 0 ( 1 。 詈 )， ( 1 + 詈 )】 + 式 中 ， ： ， 为 日平 均 气 温 ； r m aX ， 1n L t n = 一， 为气温振幅 ；t 为时间 l ，规 定 早 晨 6 时 t =0； 0 3 =2 7 t 2 4， 为频 率 ； m =1 2 c。 1 4 计算参数 水泥混凝土桥面沥青铺装层各热分析参数如 表 2所示。 表2 材料的计算参数 1 5 边界条件 热能传递有三种方式：传导、对流和辐射。 本文研究的水泥混凝土桥面沥青铺装层温度场 的 数学模型 ，就是以傅立叶传热定律为理论基础 。 根据傅立叶传热定律 以及热平衡法则可得 ，在铺 装层表面热学平衡方程如下式所示4 1 ： q q +q +q 。 式中，q为总的热流密度 m ； 为太阳辐射 热流密度：q 为大气逆辐射换热热流密度；q 。 为 大气对流换热密度。 1 5 1 太阳辐射作用 太阳辐射到铺装层表面时，太阳的辐射量并 不能完全被铺装层表面吸收，吸收量的大小由材 料对太阳辐射的吸收率决定。因此进入桥面铺装 层表面的热流密度 为： qs = 0 c s I t 式中， 为铺装材料对太阳辐射吸收系数；， 为 太阳总辐射强度 w m 。 1 5 2 大气逆辐射作用 根据 S t e f e n B o l t z ma n热辐射规律分析得桥 面和空气之间的辐射换热为： q = 一 = + 】 ( + T P ( L ) = ( 一 ) 式中， 为 S t e f e n Bo l t z ma n常数 ； 为辐射系数； 为空气温度 ； 为箱梁外表面温度 ； 为大 气逆辐射换热系数 。 1 5 3 对 流换热 对流换热是由于桥梁表面与气流之间的温差 引起热流交换形成 的。由牛顿冷却定律可知对流 换热产生的热流为： q c =h ( T a ) 式中，h为对流换热系数。 q ：a s I + ( 一 ) +h ( L ) = +( +h ) ( T a ) = ， c + ( 一 ) 式中， 为复合热交换系数。 根据热力学三类边界条件 ，得出箱梁与外界 环境接触的上下边界条件分别如下式所示： 一 。 0 ) + ； O T 。 = B ( T -T ， 。 1 6 求解过程 第 4期 王虹等：水泥混凝土桥面沥青铺装层低温温度场分析 2 5 5 初始条件取用凌晨 6 点时的桥面铺装层温 度。计算温度场是瞬态的，时问步长采用 0 2 5 h ， 计算时间4 8 h 。具体计算过程如图 2所示。 水泥混凝土桥梁 _ l l 0 _ l_ 。 温度场模型 ： l l _ _ _ 一 由气象参数确定 各类边界条件 _ l l_ l _ _ _ 瞬态分析步 0l l l j温度场分析 0一lI l_ l l 文件后处理 图 2 数值计算流程 2 结果和讨论 2 1 沥青铺装层温度变化规律 图 3表示了 1 9 9 3年 1 2月 2 3日沥青混凝土 铺装层表面从上至下 0 c m，4 c m和 9 c m处温度 日变化情况。结果表明：在整个混凝土桥面铺装 体系中，铺装层表面温度变化幅度最大，最高温 度和最低温度均出现在铺装层表面；铺装层表面 最低温度发生在夜间，白天则出现最高温度 ，最 低、最高温度点几乎与 日出日落的时间相吻合 ； 随着铺装层表面向下深度 的增加，温度变化 的幅 度逐渐减小，同时达到最低温度和最高温度 的时 间逐渐 向后推移 ，在铺装层表面与铺装层底面， 相位差约为 2 h ； 铺装层表面达到最低温度的时间 在凌晨 4时左右 ，在凌晨 4时前后的 2 3 h内， 铺装层始终处于低温状态 。 图 3 铺装层不同深度处温度 日变化过程 2 2 沥青铺装层梯度变化规律 图 4表示了 1 9 9 3年 l 2月 2 3日沥青混凝土 铺装层不同尝试 的温度梯度 日变化情况 。计算结 果表明：在整个混凝土桥面铺装体系中，铺装层 表面温度梯度的波幅最大 ，最大正温梯度在上午 1 1点左右达到， 最大负温梯度在 l 2月 3日凌晨 1 点达到；随着铺装层深度 的增加，温度梯度 的波 幅越来越小；由于 1 2月 2 3日连续降温，最大 负温梯度绝对值大于最大正温梯度 。 图 4 铺装层不同深度处温度梯度 日变化过程 2 3 沥青铺装层表面最大温差变化规律 图5 表示了 1 2 月 2日铺装层表面最大温差及 1 2 月 2 3日这一降温过程中铺装层表面最大温差 柱状图。由图可 以看 出： 在 1 2月 2曰铺装层表面 最大温差为 1 1 ，而在 1 2月 2 3日连续 降温过 程 中，铺装层表面最大温差达到将近 1 7 C，即使 在铺装层底面最大温差也分别达到 了 6 和 9 。另外，铺装层表面最大降温速率在 5m 左 右 ， 并且达到最大降温速率持续时间不足 1 小时。 1 8 1 6 1 4 1 2 1 0 8 6 4 2 0 3 结论 图 5 铺装层表面最大温差 ( 1 ) 在整个桥面铺装体系 中， 铺装层表面温 度变化幅度最大 ，最高温度和最低温度均出现在 铺装层表面。 ( 2 ) 铺装层表面最大负温度可能达不到沥青 铺装层的极限破坏温度，不足 以使铺装层产生裂 缝，但 由于其在较低温度下作用时间较长，一旦 超过相应 的温度水平，则铺装层有可能开裂 。 ( 3 ) 随着铺装层深度的增加， 温度梯度减小， 同时，其波幅亦减小。 ( 4 )从 2天连续降温来看，1 2月 2 3日铺 装层表面最大温差要 1 2月 2日一天大很多， 因此 仅考虑周期性温度场进行计算有一定的偏差 。 ( 5 ) 负温下， 沥青铺装表面最大降温速率在 5 1左右 ，从这一点来看 ，国内外在进行有关 室内试验时假定的恒定降温速率 1 0 l 1偏大 了 许 多 。 o 0 皇 u 、 掣霉 终 2 3 8 3 8 U。 2 5 6 华中科技大学学报 ( 城市科学版) 2 0 0 8年 就进行水泥混凝土桥面沥青铺装层开裂机理 的分析而言，进行温度场的计算和分析不是最终 的目的， 它仅是进行温度应力计算和分析的前提。 只有在能比较可靠和准确地计算和分析沥青铺装 层温度场 的前提下，才有可能通过温度应力的计 算和分析对桥面铺装层的开裂机理做出正确和深 入的分析，并为尽可能减少桥面沥青铺装层的温 度开裂采用有效的措施。 参考文献 吴赣昌 半刚性路面温度应力分析 MI 北京：科学 出版社， 1 9 9 5 逯彦秋钢桥桥面铺装层温度场的研究 D I 哈尔滨： 哈尔滨工业大学， 2 0 0 7 3 】严作人层状路面体系的温度场分析 J 】 同济 大学学报， 1 9 8 4 ( 3 ) ： 1 2 1 6 Ya v u z t u r k C， Ks a i b a t i KAs s e s s me n t o f T e mp e r a t u r e F l u c t u a t i o n s i n As p h alt P a v e me n t s Du e t o T h e r ma l E n v i r o n me n t a l Co n d i t i o n s Us i n g a T wo Di me n s i o n a l ， T r a n s i e n t F i n i t e Di ff e r e n c e Ap p r o a c h J J o u r n a l o f Ma t e ri al s i n C i v i l E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 5 ， ( 1 7 ) ： 4 6 5 4 7 5 An d r e w D C h i a s s o n Li n e a r i z e d Ap p r o a c h f o r P r e d i c t i n g Th e rm al S e s s e s i n As p h a l t P a v e me n t s d u e t o E n v i r o n me n t a l C o n d i t i o n s J J o u ma l o f Ma t e ri a l s i n Ci v i l E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 8 ， ( 2 0 ) ： 1 1 8 1 2 7 Ba r b e r F S Ca l c u l a t i o n o f M a x i mu m P a v e me n t T e m p e r a t u r e for m We a t h e r R e p o r t s J H i g h w a y Re s e a r c h Bo a r d Bu l l e t i n ， 1 9 5 7 ， ( 1 6 8 ) ： 1 - 8 An a l y s i s o f Te mp e r a t u r e F i e l d o n As p h a l t Pa v e me n t o f Ce me n t Co n c r e t e Br i dg e u nde r Lo w Te m p e r a t u r e WANG Ho n g ，W S h a o- pe n g ， LI U Con g- h u i ， WANG Ge n- y a n ( 1 Ke y L a b o r a t o r y o f S i l i c a t e Ma t e ria l s S c i e n c e a n d En g i n e e rin g ， Wu h a n Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， Wu h a n 4 3 0 0 7 0 ； 2 C h i n a Wu h a n C h e mi c a l E n g i n e e ri n g C o r p Wu h a n E n g i n e e ri n g C o L t d ， Wu h a n 4 3 0 2 2 3 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： I t S a c o mmo n p r o b l e m t o a s p h a l t p a v e me n t o f c e me n t c o n c r e t e b rid g e t h a t t e mp e r a t u r e c r a c k i n g o f t h e p a v e me n t i s g e n e r a t e d i n s e r v i c e t i me I t S a l s o a n i mp o r t a n t s u b j e c t t o i mp r o v e t h e c r a c k r e s i s t a n c e o f the pa v e me n t An d c r a c kin g o f l ow t e mp e r a t u r e i s a p rima r y r e a s o n t o c a u s e t h e d e s t r u c t i o n o f d e c kBa s e d o n a r e s e a r c h a n d c a l c u l a t i o n o f n o r ma l c l i ma t e a t y p i c a l s y s t e m o f a s p h a l t p a v e me n t o f c o n c r e t e d e c k i s a n a l y z e d ， i n c l u d i ng the v a r i a t i on o f p a v e m e n t S t e mp e r a t u r e ， t e mpe r a t u r e g r a d i e n t S v a r i a t i o n an d t he ma x i ma l t e mp e r a t u r e d i f f e r e n c e S v a r i a t i o n i n c o n t i n uo u s c o o l i n g Ul t i m a t e l y ， t h e r e s u l t i s a i me d a t pr o vi d i n g p a v e me n t e n g i ne e r s wi t h a n e ffi c i e n t t h e o r y t o ol t o i n c r e a s e t he c r a c k r e s i s t an c e o f t h e a s ph a l t p a v e me nt o f d e c k Ke y wo r ds ：a s p ha l t pa v e m e n t ； c e me n t c o nc r e t e brid g e； l o w t e m p e r a t u r e ； t e mp e r a t u r e fie l d