摘要：为了研究钢箱梁桥面铺装层的温度场，通过建立有限元模型，采用有限元软件ABAQUS进行数值模拟分析。分析结果表明，铺装层顶层或底层温度几乎与气温同步周期性变化，而底层比顶层最高温度滞后1个小时。分析结果可为铺装层中沥青混合料的设计提供重要依据。
关键词：环氧沥青混凝土；钢桥面铺装层；有限元；温度场
1引言
随着工程技术的不断提升，钢箱梁在市政工程桥梁中的应用越来越广泛。而钢桥桥面铺装层在车辆荷载及外界环境因素的作用下，易出现未达到其设计使用年限的早期破坏[1]。
由于钢箱梁普遍采用内箱封闭空间的建造方法，其传热性能较差。由太阳辐射和与环境的对流换热得到的热量聚集在箱体内不易向外散发不出去，引起整个钢箱梁桥体的温度升高[2]。高温易降低桥面铺装层的承载力，致使桥面出现严重的车辙；另外，高温会导致铺装层与钢板间的粘结强度降低，在荷载作用下，铺装层与钢板间发生推移和脱空，从而影响路面平整度和行车质量[3]。因此，较准确地预测沥青混凝土铺装层的温度场，对于指导沥青混合料的设计，具有重要意义。
本文运用有限元手段，对钢桥面铺装层温度场的分布进行分析研究。
2钢桥面铺装方案
某市政工程钢箱梁中心线处梁高4m，全宽49.7m（含风嘴、检修道），顶板宽40.5m，风嘴宽2.1m，平底板宽31.3m，斜底板宽6.7m，风嘴外侧设置2.5m宽检修道，平底板两边设置检查车轨道和轨道导风板。钢箱梁标准横断面图如图1所示。
图1 钢箱梁标准横断面图（单位：mm）
钢桥面行车道铺装层厚度按功能要求的不同进行分层设计，桥面铺装设计总厚度为65mm，结构组成由下至上为：防水粘结层+下面层30mm厚环氧沥青混凝土（EA10）+粘层+上面层35mm厚环氧沥青混凝土（EA10）。
3模型假定与材料参数
由于环境气候因素的多样性、随机性和不确定性，钢箱梁桥面铺装层的温度分布是一个复杂边界条件的三维瞬态热传导问题，为便于分析，需要进行简化和假定。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问题，做如下假设：
（1）桥面铺装层各层均为完全均匀和各项同性的连续体；
（2）桥面铺装层结构为带状物，不考虑温度沿桥面纵向分布的变化；
（3）桥面铺装层各层间接触良好，层间温度和热流连续。
通过上述的假定，钢箱梁铺装层温度场分析简化为二维的瞬态分析，即桥梁宽度和高度方向。
材料的物理性质参数包括密度、比热容、导热系数等，见表1。不考虑箱内空气与箱内钢板表面的自然对流换热，空气在箱内一般充当隔热层，将其视为一种隔热介质。各计算参数的取值见表2。
4温度场分析有限元模型与初始条件
4.1有限元模型
使用通用有限元软件ABAQUS进行瞬态非线性温度场分析，采用DC2D8单元（8节点四边形热传导单元）。模型中将空气视为一种介质参与热传递。箱梁截面有限元模型见图2。不考虑箱梁边腹板、斜底板、底板和悬臂板的底部收到水面反射辐射作用，箱梁顶面接收太阳直接辐射。箱梁外围四周与周围环境发生对流换热。
随时间变化的外界温度（第三类边界条件）采用ABAQUS的用户子程序FILM输入。表面辐射环境（Surface Radiate to Ambient）采用幅值曲线表格形式输入表3中1天24小时的温度大气温度的变化规律。随时间变化的热流（第二类边界条件）采用ABAQUS的用户子程序DFLUX输入。由于ABAQUS调用用户子程序时，只允许使用一个.for文件，因此必须将用户子程序FILM和DFLUX合并成一个.for文件。在进行温度场的稳态和瞬态分析时，软件自动读取每个时刻所对应的边界条件。其中稳态分析步长要足够小，这里取1E-010；而瞬态分析步长0.5h。
图2 温度场分析有限元模型（包含箱内空气）
4.2初始条件
对箱梁进行瞬态热分析需要给定初始温度分布。初始温度分布是未知的，计算时可以先假设一个合理的初始分布，如温度值等于早晨六点的环境温度，连续进行10天的时程分析，每天都采用同样的边界条件，经过10天后，每天每时刻所对应的温度应趋于一致，表明假定截面初始温度所造成的影响已消除。因此，本研究的分析数据取第10天的计算结果作为初始条件进行分析。
5铺装层温度场分析结果
选取铺装层顶部和底部24小时内的温度变化进行分析。图3为铺装层顶层温度变化时程曲线，由图可知，铺装层顶层表面温度几乎与气温同步周期性变化。早晨4:00～6:00之间，铺装层表面温度最低，而后逐渐升高，在中午13:00左右达到最高值，接着又逐渐降低。铺装层表面温度最大可达75℃，远远高于39℃的最大气温温度。
图3 铺装层顶层温度变化时程曲线
图4为铺装层底层温度变化时程曲线，由图可以看出，铺装层底层温度几乎与气温同步周期性变化，最高温度约64℃。
图4 铺装层底层温度变化时程曲线
比较图3和图4可知，铺装层顶层温度较底层温度高。底层最大温度发生在下午14点左右，比顶层最高温度滞后1个小时，这主要是由于热传导过程需要时间。
6结论
（1）利用有限元模型对钢桥面环氧沥青混凝土铺装层进行温度场分析，对于指导沥青混合料的设计具有重要意义。
（2）铺装层顶层表面温度几乎与气温同步周期性变化。早晨4:00～6:00之间，铺装层表面温度最低，而后逐渐升高，在中午13:00左右达到最高值约75℃，接着又逐渐降低。
（3）铺装层底层温度几乎与气温同步周期性变化，在中午14:00左右达到最高温度约64℃。
（4）铺装层顶层温度较底层温度高，底层比顶层最高温度滞后1个小时，这主要是由于热传导过程需要时间。
参考文献
[1]朱秀兰.深圳市某钢桥桥面铺装层温度场有限元模拟研究[J].城市道桥与防洪,2011(08):317-321+5.
[2]张顺先. 基于使用性能的钢桥面铺装环氧沥青混合料设计研究与疲劳寿命预测[D].华南理工大学,2013.
[3]逯彦秋,陈宜言,孙占琦,张肖宁.钢桥桥面铺装层的温度场分布特征[J].华南理工大学学报(自然科学版),2009,37(08):116-121+126.
论文作者:蔡绍樊
论文发表刊物:《防护工程》2018年第31期
论文发表时间:2019/1/17
标签：温度论文; 桥面论文; 沥青论文; 底层论文; 有限元论文; 温度场论文; 混凝土论文; 《防护工程》2018年第31期论文;