温度和干缩对钢桥面铺装层受力的影响

赵朝华

（重庆交通大学土木建筑学院，重庆 400074）

温度和干缩对钢桥面铺装层受力的影响

赵朝华

（重庆交通大学土木建筑学院，重庆 400074）

根据钢桥面铺装的受力特点，推导了钢桥面铺装层的温度应力计算公式;结合实际铺装材料和实际使用环境，计算了常用铺装材料的温度及收缩应力，并与车辆荷载作用下铺装层的应力计算进行对比。研究表明:温度和干缩作用远大于车辆荷载对钢桥面铺装层的受力影响。

钢桥面铺装;温度;干缩;应力分析

桥面铺装层是桥梁结构的重要组成部分之一，不但直接承受着车辆荷载的压力、冲击和剪切荷载，并在汽车和气候环境作用下被磨耗和风化，起到保护桥梁主体和为行车提供安全、舒适的路面功能作用。因此，钢桥面铺装是大跨径钢箱梁桥建设的关键技术之一，一直受到国内外学术界和工程界的高度重视与关注。但是桥面铺装尤其是钢桥面铺装目前仍是世界性的难题，尤其钢桥面铺装从大跨径钢梁桥开始建设起，就引起了国内外学者的高度重视与关注，投入了大量的研究精力［1］。

钢桥面铺装之所以一直成为桥梁建设的关键技术难点与正交异性桥面板的结构特点和使用条件有着密切关系。一方面正交异性桥面板结构复杂，柔度较大，铺装层的受力状态比普通路面、机场路面或混凝土桥面铺装复杂的多，尤其在重型车辆荷载作用下，钢桥面板局部变形更复杂，部分结构部位如各纵向加劲肋和横向加劲肋与桥面板焊接处出现明显的应力集中，导致铺装层处于更为复杂、不利的受力状态;另一方面，由于正交异性钢桥面板的材料和结构特性，钢桥面铺装常受到高温、振动和重载等更加恶劣的自然环境，铺装层的材料的抗疲劳、耐候性以及界面层的黏结牢固耐久性均受到严重考验，防水、防锈与层间结合都是刚桥面铺装需要重点考虑的问题［2］。

桥面铺装的研究包括铺装材料和铺装结构两个方面，在明确铺装层的受力特点和结构特性后，后续工作就是寻求或发明出一种适合于钢桥面铺装力学特性的铺装材料。因此对钢桥面铺装的有针对性的深入、准确的力学理论分析成为钢桥面铺装能否突破的重要技术基础。

1 钢桥面铺装基本特点

钢桥面铺装首先作为铺装结构层，具有一般公路路面和水泥混凝土桥面铺装的共同特点［1-4］:①与车轮直接接触，直接承受车辆荷载的摩擦、冲击等作用;②承受外界环境条件的影响，因此铺装材料均具有环境稳定性和耐久性要求;③均以强度、变形等技术参数作为铺装材料优劣评定的主要指标;④铺装层之间或铺装层与基面之间均存在复杂的界面层间状态和界面要求。

但钢桥面铺装作为一种特殊条件下的铺装结构，钢桥主梁截面的特殊构造使得桥面板和铺装材料不仅要承受正弯矩，同时也必须承受负弯矩。也正是由于钢桥面铺装必然承受正负弯矩的反复作用，增加了钢桥面铺装的难度，同时也是许多桥面铺装失败的原因。因此钢桥面铺装除了具有一般路面铺装和混凝土桥面铺装特点外，还具有其自身特有的性能要求。从铺装层自身受力特性来看，钢桥面铺装层具有以下不同于路面铺装的特点［4-5］:

1）钢桥面铺装层具有不同于路面铺装的受力特性。钢桥面铺装具有变形大且复杂的特点，钢桥面铺装层上部具有拉应力或拉应变，而一般路面结构中，面层的最大拉应力或拉应变均出现在面层底部。

2）钢桥面铺装层具有独特的使用环境。钢材的导热系数远大于路基、路基基层等土工材料，钢桥面铺装在极端高温和低温环境下较一般沥青混凝土路面更易受大气温度的影响，其极端高温和低温远大于一般路面面层。因此总的来讲，除正常铺装层自身的温度变化之外，钢结构的每日和季节性温度变化更加严重的影响着铺装层的变形、受力等性能，对钢桥面铺装的耐久性具有重要影响。

2 钢桥面铺装层温度应力公式推导

2.1 温度作用下钢桥面铺装层应力计算公式推导

在桥面铺装中，温度荷载主要是指由温度变化引起的铺装层在其他约束条件下的受力，温度荷载是大自然无法抗拒的外力作用，其影响往往超过车辆荷载的影响，因此对于铺装层的温度荷载应力分析就至关重要。收缩主要针对水泥类混凝土桥面铺装而言，混凝土收缩是指在混凝土凝结初期或硬化过程中出现的体积缩小现象，一般分为塑性收缩（又称沉缩）、化学收缩（又称自身收缩）、干燥收缩及碳化收缩，较大的收缩会引起混凝土开裂。铺装层的温度荷载应力推导如下。

将桥面的纵向、横向分别作为坐标系的x轴、y轴，铺装层假设为理想的弹性薄板，在均匀温度收缩和膨胀的条件下，铺装层内应变为:

若铺装层的温度变形被钢桥面完全限制，则可得铺装层温度作用下铺装层完全受到约束时的应力:

结合公式（2）及温度膨胀收缩规律，若钢桥面板假设温度恒定且无变形，则当铺装层温度降低时，桥面铺装随着温度的降低而收缩，铺装层在界面黏结作用下受到钢桥面板的约束，此时铺装层内产生拉应力和拉应变。同理，当温度升高时，桥面铺装膨胀，此时铺装层内产生压应力和压应变。

实际情况中，钢桥面板在温度的作用下同样要产生温度收缩和膨胀变形，由于钢桥面相对于铺装层具有更大的体积和弹性模量，铺装层的温度变形相对于钢桥面板的自由收缩的影响相对较小，因此在界面黏结作用下，有理由将铺装层的变形视为钢桥面板的温度自由变形，即:

式（1）和式（3）代入式（2），得到铺装层的应力为:

由于泊松比的影响有限，为便于问题分析，若将泊松比对于铺装的应力影响忽略不计，则问题简化为:

式中:α铺装为铺装层材料的线膨胀系数;α钢桥面板为钢桥面的线膨胀系数;ΔT铺装为铺装层温度变化值;ΔT钢桥面板为钢桥面板温度变化值;E为铺装层材料弹性模量。

为了考虑公式的适用性，特做如下规定:ΔT铺装和ΔT钢桥面板在温度升高时取正值，温度降低时取负值，计算应力σ为正值表示铺装层处于受压状态，正值表示处于受拉状态。

钢桥面铺装层的工作温度范围较大，铺装层和钢桥面板不同季节具有复杂的温度变化规律，可以看出:

1）温度作用下，在其他变化条件相同时，铺装层与钢桥面板变形越接近，铺装层内产生的温度应力和变形就越小。

2）升温时，铺装层和钢桥面板产生拉伸变形，当铺装层产生的温差变形（α铺装×ΔT铺装）大于钢桥面板的温差变形（α钢桥面板× ΔT钢桥面板）时，铺装层的拉伸变形有被钢桥面限制拉伸的趋势，此时铺装层内产生压应力和压应变。同理，若铺装层在温差作用下产生的拉伸变形小于钢桥面的拉伸变形，此时钢桥面的拉伸变形则被铺装层限制，铺装层的拉伸变形有被扩大拉伸的趋势，则铺装层内产生拉应力和拉应变。

3）降温时，铺装层和钢桥面板产生收缩变形，当铺装层产生的温差变形（α铺装×ΔT铺装）大于钢桥面板的温差变形（α钢桥面板× ΔT钢桥面板）时，钢桥面板就限制了铺装层的自由收缩，铺装层就有被拉伸的趋势，此时铺装层内产生拉应力和拉应变。同理，若铺装层在温差作用下产生的收缩变形小于钢桥面的收缩变形，此时钢桥面的收缩变形有被加大压缩的趋势，则铺装层内产生压应力和压应变。

4）在铺装层温度与钢桥面温度变化相同时，若α铺装＞α钢桥面板，如沥青类铺装材料，则升温时铺装层处于较为不利的受拉状态;若α铺装＜α钢桥面板，则降温时铺装层处于不利的受拉状态。

2.2 干缩作用下钢桥面铺装层应力公式推导

干缩作用与温度收缩即降温作用类似，在混凝土收缩受到限制时，桥面内会产生一定的应力，实际情况中混凝土的干缩发生在凝结阶段，干缩变形较大，但此时材料尚未凝固，此时虽然材料强度较低，但材料的弹性模量较小，其极限应变也较大。从材料性能角度来看，干缩越小，由此引起的干缩应力也就越小，对于铺装层以及界面层的受力就越有利。干缩变形可以等效为温度均匀降低引起的收缩变形，其干缩应力的计算也可参照温度应力计算类似，只需把式（5）中的温度变形α铺装×ΔT铺装替换为混凝土桥面收缩应变ε收缩，而钢桥面板收缩为0。因此在混凝土桥面铺装层干燥收缩作用下，铺装层内应力计算可参照铺装层温度均匀收缩情况进行推导，其计算公式为:

3 环境温度作用下铺装层受力分析

结合实际温差情况，按日温差和季温差分别对铺装层受力进行分析。

3.1 日温差下铺装层受力分析

在日均温差变化下，铺装层表面直接暴露于大气，且直接承受阳光直射，温度变化较大。钢桥面板位于铺装层下，受铺装层的温度保护作用，钢桥面板温差变化较小。若以我国较为不利气候考虑，日温差最大值设为40℃，则铺装层直接裸露于大气中，当日最大温差值设为40℃，钢桥面板位于铺装层下，没有受到太阳直晒作用，其最大温差相应较小，设为20℃。

材料的线膨胀系数随温度不同而不同，本文计算参数综合文献［6-11］，取其低温时较为不利状态的线膨胀系数与弹性模量进行计算。不同铺装材料下铺装层内温度应力计算结果见表1。

表1 日温差/季温差气候下不同铺装材料的温度应力计算结果Table 1 Calculated results of temperature stress of different paving materials under different daily/seasonally temperatures

3.2 季温差下铺装层受力分析

在季温差作用下，铺装层和钢桥面板整体随着外界气温的变化而变化，可以认为铺装层和钢桥面板具有相同的温度，此时季温差将根据区域而定。针对我国地理条件，偏于不利因素的取其温度工作范围为-10～70℃，即铺装层和钢桥面板最大温差为80℃，则不同铺装材料下铺装层内温度应力计算结果见表1。

沥青材料随着温度升高其力学性能劣化严重，如低温时环氧沥青混凝土强度一般超过10 MPa，但随着温度的升高，其弯拉强度大幅下降，而聚合物骨架混凝土随着温度的升高其力学性能并无较大变化。因此在实际情况中，相对于SMA、环氧沥青等沥青混凝土铺装材料来说，聚合物骨架混凝土在温度作用下的受力优越性就更为明显。

笔者对钢桥面车辆荷载也进行有限元分析计算，若铺装层材料参数设置不变，计算荷载采用BZZ-100标准车后轴的一侧轮胎加载，最不利荷载位置作用下，铺装层最大拉应力为1.192 MPa。结合温度荷载计算分析结果，不难得到结论:温度荷载的影响要远远超过车辆荷载的影响，即使超载作用下，单纯从受力角度分析来看，其影响不致钢桥面铺装发生如此早期严重破坏。因此温度荷载影响对于钢桥面铺装的破坏至关重要，且沥青类材料在高温环境作用下，其材料性能的劣化严重。因此从这个角度看，沥青混凝土钢桥面铺装层的早期破坏也就不可避免。

4 结论

结合钢桥面铺装的受力和使用环境的特点，对温度等自然环境因素影响下的钢桥面铺装层进行了受力分析，并分析推导出钢桥面铺装层温度、收缩作用下的应力计算公式，并对现行不同钢桥面铺装材料进行了实际环境条件下的温度受力分析，得到了以下结论:

1）温度作用下，在其他变化条件相同时，铺装层与钢桥面板变形越接近，铺装层内产生的温度应力和变形就越小，铺装层的温度应力的产生是以铺装层底部边界被约束即界面黏结为前提。

2）钢桥面铺装在实际使用环境中，温度荷载的影响要远远超过车辆荷载的影响。

3）现有沥青类常规钢桥面铺装材料在温度作用下，铺装层均处于较为不利的受力状态，要解决目前钢桥面铺装早期破坏，开发研究新型钢桥面铺装的新材料和新结构势在必行。

（References）:

［1］ 黄卫.大跨径桥梁钢桥面铺装设计理论与方法［M］.北京:中国建筑工业出版社，2006.

Huang Wei.Theory and Method of Deck Paving Design for Long-Span Bridges［M］.Beijing:China Building Industry Prsss，2006.

［2］ 黄卫.润扬长江公路大桥建设第五册:钢桥面铺装［M］.北京:人民交通出版社，2006.

Huang Wei.The Collection of Runyang Yangtze River Bridge Construction:The Fifth Volume［M］.Beijing:China Communications Press，2006.

［3］ 陈选华，黄卫，李洪涛.钢桥面浇注式沥清混合料铺装的高温稳定性研究［J］.重庆交通学院学报，2003，22（1）:32-35.

Chen Xuanhua，Huang Wei，Li Hongtao.Studies on high temperature stability of truss-asphalt used for steel deck paving［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University，2003，22（1）:32-35.

［4］ 李茂涛，何兆益.钢桥面铺装技术探讨［J］.重庆交通学院学报，2004，23（5）:5-7.

Li Maotao，He Zhaoyi.The analyzing of the steel bridge pavement［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University，2004，23（5）:5-7.

［5］ 陆庆.环氧沥青混凝土钢桥面铺装结构和试验研究［D］.南京:东南大学，2000.

Lu Qing.Research on Structure and Test of Epoxy Asphalt Concrete Steel Deck Pavement［D］.Nanjing:Southeast University，2000.

［6］ 庞辉，余梁蜀，马斌，等.水工沥青混凝土低温线收缩系数试验研究［J］.西安理工大学学报，2005，21（4）:417-420.

Pang Hui，Yu Liangshu，Ma Bin，et al.Test research on the linear contractive modulus of hydraulic asphalt concrete［J］.Journal of Xi’an University of Technology，2005，21（4）:417-420.

［7］ 余梁蜀，王文进，许庆余，等.沥青混凝土低温线收缩系数试验研究［J］.水利发电学报，2006，25（3）:84-87.

Yu Liangshu，Wang Wenjin，Xu Qingyu，et al.Experimental research on the linear contractive quotiety of asphalt concrete ［J］.Journal of Hydroelectric Engineering，2006，25（3）:84-87.

［8］ 王晓，程刚，黄卫.环氧沥青混凝土性能研究［J］.东南大学学报:自然科学版，2001，31（6）:21-24.

Wang Xiao，Chen Gang，Huang Wei.Research on epoxy asphalt concrete performance［J］.Journal of Southeast University:Natural Science，2001，31（6）:21-24.

［9］ 张艳聪，田波，彭鹏，等.水泥混凝土线膨胀系数试验研究［J］.公路，2011（9）:201-205.

Zhang Yancong，Tian Bo，Peng Peng，et al.Experiment and study on coefficient of thermal expansion of cement concrete［J］.Highway，2011（9）:201-205.

［10］赵朝华.聚合物骨架空隙混凝土桥面铺装研究［D］.重庆:重庆交通大学，2007.

Zhao Chaohua.Research on Bridge Deck Pavement Using Polymer Lattice Concrete［D］.Chongqing:Chongqing Jiaotong University，2007.

［11］何兆益，章佩佳.复合碾压混凝土路面温度应力分析［J］.重庆交通大学学报:自然科学版，2010，29（4）:540-543.

He Zhaoyi，Zhang Peijia.Temperature stress analysis of composite roller compacted concrete pavement［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science，2010，29（4）:540-543.

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

赵朝华（1980—），男，河南南阳人，博士研究生，主要从事路面和桥面铺装方面的研究。E-mail:chaohua_zhao@163.com。