溫度和干縮對(duì)鋼橋面鋪裝層受力的影響

趙朝華

（重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶 400074）

溫度和干縮對(duì)鋼橋面鋪裝層受力的影響

趙朝華

（重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶 400074）

根據(jù)鋼橋面鋪裝的受力特點(diǎn)，推導(dǎo)了鋼橋面鋪裝層的溫度應(yīng)力計(jì)算公式;結(jié)合實(shí)際鋪裝材料和實(shí)際使用環(huán)境，計(jì)算了常用鋪裝材料的溫度及收縮應(yīng)力，并與車輛荷載作用下鋪裝層的應(yīng)力計(jì)算進(jìn)行對(duì)比。研究表明:溫度和干縮作用遠(yuǎn)大于車輛荷載對(duì)鋼橋面鋪裝層的受力影響。

鋼橋面鋪裝;溫度;干縮;應(yīng)力分析

橋面鋪裝層是橋梁結(jié)構(gòu)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(huán)境作用下被磨耗和風(fēng)化，起到保護(hù)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(shè)的關(guān)鍵技術(shù)之一，一直受到國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程界的高度重視與關(guān)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(shè)起，就引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的高度重視與關(guān)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(shè)的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)與正交異性橋面板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用條件有著密切關(guān)系。一方面正交異性橋面板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，柔度較大，鋪裝層的受力狀態(tài)比普通路面、機(jī)場(chǎng)路面或混凝土橋面鋪裝復(fù)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(fù)雜，部分結(jié)構(gòu)部位如各縱向加勁肋和橫向加勁肋與橋面板焊接處出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，導(dǎo)致鋪裝層處于更為復(fù)雜、不利的受力狀態(tài);另一方面，由于正交異性鋼橋面板的材料和結(jié)構(gòu)特性，鋼橋面鋪裝常受到高溫、振動(dòng)和重載等更加惡劣的自然環(huán)境，鋪裝層的材料的抗疲勞、耐候性以及界面層的黏結(jié)牢固耐久性均受到嚴(yán)重考驗(yàn)，防水、防銹與層間結(jié)合都是剛橋面鋪裝需要重點(diǎn)考慮的問題［2］。

橋面鋪裝的研究包括鋪裝材料和鋪裝結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面，在明確鋪裝層的受力特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)特性后，后續(xù)工作就是尋求或發(fā)明出一種適合于鋼橋面鋪裝力學(xué)特性的鋪裝材料。因此對(duì)鋼橋面鋪裝的有針對(duì)性的深入、準(zhǔn)確的力學(xué)理論分析成為鋼橋面鋪裝能否突破的重要技術(shù)基礎(chǔ)。

1 鋼橋面鋪裝基本特點(diǎn)

鋼橋面鋪裝首先作為鋪裝結(jié)構(gòu)層，具有一般公路路面和水泥混凝土橋面鋪裝的共同特點(diǎn)［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(huán)境條件的影響，因此鋪裝材料均具有環(huán)境穩(wěn)定性和耐久性要求;③均以強(qiáng)度、變形等技術(shù)參數(shù)作為鋪裝材料優(yōu)劣評(píng)定的主要指標(biāo);④鋪裝層之間或鋪裝層與基面之間均存在復(fù)雜的界面層間狀態(tài)和界面要求。

但鋼橋面鋪裝作為一種特殊條件下的鋪裝結(jié)構(gòu)，鋼橋主梁截面的特殊構(gòu)造使得橋面板和鋪裝材料不僅要承受正彎矩，同時(shí)也必須承受負(fù)彎矩。也正是由于鋼橋面鋪裝必然承受正負(fù)彎矩的反復(fù)作用，增加了鋼橋面鋪裝的難度，同時(shí)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(diǎn)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(diǎn)［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(fù)雜的特點(diǎn)，鋼橋面鋪裝層上部具有拉應(yīng)力或拉應(yīng)變，而一般路面結(jié)構(gòu)中，面層的最大拉應(yīng)力或拉應(yīng)變均出現(xiàn)在面層底部。

2）鋼橋面鋪裝層具有獨(dú)特的使用環(huán)境。鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)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(huán)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(yuǎn)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(jié)構(gòu)的每日和季節(jié)性溫度變化更加嚴(yán)重的影響著鋪裝層的變形、受力等性能，對(duì)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(yīng)力公式推導(dǎo)

2.1 溫度作用下鋼橋面鋪裝層應(yīng)力計(jì)算公式推導(dǎo)

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(duì)于鋪裝層的溫度荷載應(yīng)力分析就至關(guān)重要。收縮主要針對(duì)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(jié)初期或硬化過程中出現(xiàn)的體積縮小現(xiàn)象，一般分為塑性收縮（又稱沉縮）、化學(xué)收縮（又稱自身收縮）、干燥收縮及碳化收縮，較大的收縮會(huì)引起混凝土開裂。鋪裝層的溫度荷載應(yīng)力推導(dǎo)如下。

將橋面的縱向、橫向分別作為坐標(biāo)系的x軸、y軸，鋪裝層假設(shè)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(nèi)應(yīng)變?yōu)?

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(shí)的應(yīng)力:

結(jié)合公式（2）及溫度膨脹收縮規(guī)律，若鋼橋面板假設(shè)溫度恒定且無變形，則當(dāng)鋪裝層溫度降低時(shí)，橋面鋪裝隨著溫度的降低而收縮，鋪裝層在界面黏結(jié)作用下受到鋼橋面板的約束，此時(shí)鋪裝層內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力和拉應(yīng)變。同理，當(dāng)溫度升高時(shí)，橋面鋪裝膨脹，此時(shí)鋪裝層內(nèi)產(chǎn)生壓應(yīng)力和壓應(yīng)變。

實(shí)際情況中，鋼橋面板在溫度的作用下同樣要產(chǎn)生溫度收縮和膨脹變形，由于鋼橋面相對(duì)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(duì)于鋼橋面板的自由收縮的影響相對(duì)較小，因此在界面黏結(jié)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(yīng)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(duì)于鋪裝的應(yīng)力影響忽略不計(jì)，則問題簡(jiǎn)化為:

式中:α鋪裝為鋪裝層材料的線膨脹系數(shù);α鋼橋面板為鋼橋面的線膨脹系數(shù);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(guī)定:ΔT鋪裝和ΔT鋼橋面板在溫度升高時(shí)取正值，溫度降低時(shí)取負(fù)值，計(jì)算應(yīng)力σ為正值表示鋪裝層處于受壓狀態(tài)，正值表示處于受拉狀態(tài)。

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(jié)具有復(fù)雜的溫度變化規(guī)律，可以看出:

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

2）升溫時(shí)，鋪裝層和鋼橋面板產(chǎn)生拉伸變形，當(dāng)鋪裝層產(chǎn)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(shí)，鋪裝層的拉伸變形有被鋼橋面限制拉伸的趨勢(shì)，此時(shí)鋪裝層內(nèi)產(chǎn)生壓應(yīng)力和壓應(yīng)變。同理，若鋪裝層在溫差作用下產(chǎn)生的拉伸變形小于鋼橋面的拉伸變形，此時(shí)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(kuò)大拉伸的趨勢(shì)，則鋪裝層內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力和拉應(yīng)變。

3）降溫時(shí)，鋪裝層和鋼橋面板產(chǎn)生收縮變形，當(dāng)鋪裝層產(chǎn)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(shí)，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(shì)，此時(shí)鋪裝層內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力和拉應(yīng)變。同理，若鋪裝層在溫差作用下產(chǎn)生的收縮變形小于鋼橋面的收縮變形，此時(shí)鋼橋面的收縮變形有被加大壓縮的趨勢(shì)，則鋪裝層內(nèi)產(chǎn)生壓應(yīng)力和壓應(yīng)變。

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

2.2 干縮作用下鋼橋面鋪裝層應(yīng)力公式推導(dǎo)

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(shí)，橋面內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一定的應(yīng)力，實(shí)際情況中混凝土的干縮發(fā)生在凝結(jié)階段，干縮變形較大，但此時(shí)材料尚未凝固，此時(shí)雖然材料強(qiáng)度較低，但材料的彈性模量較小，其極限應(yīng)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(yīng)力也就越小，對(duì)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(yīng)力的計(jì)算也可參照溫度應(yīng)力計(jì)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(yīng)變?chǔ)攀湛s，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(nèi)應(yīng)力計(jì)算可參照鋪裝層溫度均勻收縮情況進(jìn)行推導(dǎo)，其計(jì)算公式為:

3 環(huán)境溫度作用下鋪裝層受力分析

結(jié)合實(shí)際溫差情況，按日溫差和季溫差分別對(duì)鋪裝層受力進(jìn)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(hù)作用，鋼橋面板溫差變化較小。若以我國(guó)較為不利氣候考慮，日溫差最大值設(shè)為40℃，則鋪裝層直接裸露于大氣中，當(dāng)日最大溫差值設(shè)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(yīng)較小，設(shè)為20℃。

材料的線膨脹系數(shù)隨溫度不同而不同，本文計(jì)算參數(shù)綜合文獻(xiàn)［6-11］，取其低溫時(shí)較為不利狀態(tài)的線膨脹系數(shù)與彈性模量進(jìn)行計(jì)算。不同鋪裝材料下鋪裝層內(nèi)溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)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(yīng)力計(jì)算結(jié)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(rèn)為鋪裝層和鋼橋面板具有相同的溫度，此時(shí)季溫差將根據(jù)區(qū)域而定。針對(duì)我國(guó)地理?xiàng)l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(nèi)溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表1。

瀝青材料隨著溫度升高其力學(xué)性能劣化嚴(yán)重，如低溫時(shí)環(huán)氧瀝青混凝土強(qiáng)度一般超過10 MPa，但隨著溫度的升高，其彎拉強(qiáng)度大幅下降，而聚合物骨架混凝土隨著溫度的升高其力學(xué)性能并無較大變化。因此在實(shí)際情況中，相對(duì)于SMA、環(huán)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(yōu)越性就更為明顯。

筆者對(duì)鋼橋面車輛荷載也進(jìn)行有限元分析計(jì)算，若鋪裝層材料參數(shù)設(shè)置不變，計(jì)算荷載采用BZZ-100標(biāo)準(zhǔn)車后軸的一側(cè)輪胎加載，最不利荷載位置作用下，鋪裝層最大拉應(yīng)力為1.192 MPa。結(jié)合溫度荷載計(jì)算分析結(jié)果，不難得到結(jié)論:溫度荷載的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(fā)生如此早期嚴(yán)重破壞。因此溫度荷載影響對(duì)于鋼橋面鋪裝的破壞至關(guān)重要，且瀝青類材料在高溫環(huán)境作用下，其材料性能的劣化嚴(yán)重。因此從這個(gè)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(jié)論

結(jié)合鋼橋面鋪裝的受力和使用環(huán)境的特點(diǎn)，對(duì)溫度等自然環(huán)境因素影響下的鋼橋面鋪裝層進(jìn)行了受力分析，并分析推導(dǎo)出鋼橋面鋪裝層溫度、收縮作用下的應(yīng)力計(jì)算公式，并對(duì)現(xiàn)行不同鋼橋面鋪裝材料進(jìn)行了實(shí)際環(huán)境條件下的溫度受力分析，得到了以下結(jié)論:

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

2）鋼橋面鋪裝在實(shí)際使用環(huán)境中，溫度荷載的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過車輛荷載的影響。

3）現(xiàn)有瀝青類常規(guī)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(tài)，要解決目前鋼橋面鋪裝早期破壞，開發(fā)研究新型鋼橋面鋪裝的新材料和新結(jié)構(gòu)勢(shì)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。