钢箱梁与桥面铺装层温度场协同变化规律分析

赵岩荆，周岚（1.南京交通职业技术学院，江苏南京211188；2.东南大学土木工程学院，江苏南京210096；.东南大学交通学院，江苏南京210096）

钢箱梁与桥面铺装层温度场协同变化规律分析

赵岩荆1，2，周岚3
（1.南京交通职业技术学院，江苏南京211188；2.东南大学土木工程学院，江苏南京210096；3.东南大学交通学院，江苏南京210096）

为研究钢箱梁桥面铺装层温度场在环境温度条件下的变化规律，利用ABAQUS软件建立了钢箱梁及铺装层热传导分析模型。根据温度场计算理论，在考虑太阳辐射、空气对流交换以及自身有效辐射等影响因素的前提下，结合江苏省长江流域内冬夏季节的代表性环境气温变化规律，对钢箱梁及铺装层温度场进行分析。分析结果表明：铺装层温度场随着大气温度的变化呈现出周期性变化规律；夏季铺装层温度明显高于大气温度，最高温度超过了60℃；冬季铺装层的最低温度低于-4℃，对铺装层结构的高温稳定性及低温抗裂性能均提出了较高的要求；同时，钢箱梁相对封闭的结构具有明显的“保温”作用，使得铺装层夜间温度均高于环境大气温度。

钢箱梁桥面；沥青混凝土铺装层；温度场；三维有限元方法；热传导分析

0 引言

大跨径悬索桥及斜拉桥的钢箱梁及铺装层在使用过程中暴露于自然环境之中，受到外界环境温度的影响，其内部温度场也会随着季节、昼夜而不断地变化[1]。现有桥面多采用沥青混凝土作为铺装层材料，黏结层也多采用沥青类或树脂类材料，材料性能对温度影响十分敏感[2]。因此，无论是对于铺装层材料的设计、应用还是研究，均必须明确铺装层的使用温度，以便对材料与结构进行针对性的设计，提出合理的评价指标[3-4]。

由于受太阳辐射、风速、大气温度等气象因素影响，钢箱梁及铺装层内温度均随着时间而不断改变，是典型的非稳态传热现象，因此钢箱梁温度场变化十分复杂。除了与路面温度场所受到的环境因素影响不同之外，由于钢箱梁特有的构造，其内部温度场也有别于一般桥梁。东南大学的范海波[5]对钢箱梁桥的实体工程进行现场检测，检测结果表明钢箱梁由于箱体封闭，箱梁内空气吸收了热量而又不能及时与外部空气进行对流换热，由此产生“保温”效果，对铺装层的温度场影响很大。温度场实地检测的方法虽然贴近实际，但样本数量少，工程适用性不良，尤其对于已有通车桥梁铺装层的温度场检测，存在很大的困难[6]。在理论分析方面，东南大学的陈晓强、刘其伟[1]对钢-混凝土组合箱梁桥沥青摊铺温度场进行了计算与分析；哈尔滨工业大学的逯彦秋、张肖宁等[7]利用ANSYS软件对重庆鹅公岩大桥钢箱梁沥青混凝土铺装层温度场进行了模拟分析，考虑了太阳辐射、对流换热等因素的影响，得到了较为合理的铺装层温度场变化规律。但现有分析均是对桥梁结构局部温度场进行二维分析，与实际铺装层结构的三维温度场分布相比存在误差，影响了计算结果的可靠性。

因此本文拟在江苏省长江流域冬季与夏季实测大气温度的基础上，利用三维有限元方法，结合热传导分析理论，采用ABAQUS软件建立钢箱梁与铺装层的三维热传导模型，揭示钢箱梁与铺装层在环境温度条件下的协同变化规律，从而为铺装层温度相关性能的设计、评价、研究提供基础。

1 钢桥面铺装层温度场计算理论

1.1 温度场影响因素

桥面铺装层除了承受车辆荷载以外，还受到外界环境如气温、辐射、风雨等因素的影响[7]。各种环境因素对钢桥面铺装层温度场的影响过程如图1所示。

图1 环境对钢箱梁及铺装层温度场的影响

由图1可知，对钢箱梁及铺装层温度场产生影响的因素有很多，其中影响较大的主要有三类：钢箱梁与铺装层的自身辐射、受到的太阳辐射以及与空气之间的对流热交换。本文在分析过程中主要依据温度场计算理论，研究在三者作用下，钢箱梁铺装层温度场的变化规律。

1.2 太阳辐射

根据严作人等[8]的研究成果，太阳辐射q(t)的日变化过程可采用以下函数近似表示：

式中：q0为中午最大辐射，q0=0.131mQ，m= 12/c；Q为日太阳辐为实际有效日照数（h）；ω为角频率（rad），ω=2π/24；t为时刻，取0～24。

式（1）为分段函数，不光滑连续，在计算温度场时会出现跳跃间断点，为此，需要将其展开为级数形式以得到光滑连续的函数表达式。根据Fou⁃rier级数的相关原理，可将式（1）展开为余弦三角函数的Fourier级数，即式（2），计算阶数达到30即可满足工程精度要求[9]：

其中：

1.3 气温及对流交换

对于太阳辐射的影响，可采用两个正弦函数的线性组合来模拟气温的日变化过程：

铺装层及钢箱梁表面与大气发生热交换的热交换系数主要受风速的影响，两者之间呈线性关系：

式中：hc为热交换系数（W∙m-2∙℃-1）；vw为日平均风速（m∙s-1）。

1.4 有效辐射

物体的有效辐射大小主要与其自身温度、气温、云量、空气湿度及透明度等诸多因素相关。本文采用式（7）近似模拟铺装层有效辐射的边界条件：

式中：qF为铺装层的有效辐射大小（W∙m-2∙℃-1）；ε为铺装层发射率（黑度），沥青混凝土通常取0.81；σ为Stefan-Boltzmann常数（黑体辐射系数）；为铺装层温度（℃）；Ta为大气温度（℃）；TZ为绝对零度值，即TZ=-273℃。

2 计算模型及参数

钢箱梁及铺装层温度场计算中所采用的热力学参数分别参考了陈晓强[1]、逯彦秋[7]以及廖公云[9]等人的研究成果。具体参数如表1所示。

表1 计算模型材料参数

由于钢箱梁桥面结构的各个横断面几乎保持一致，并且左右对称，因此选取某一截面的半边温度场，便能够代表钢箱梁及铺装层的整体温度场分布，计算有限元模型如图2所示。模型中钢箱梁下部各表面由于不受太阳直射，因此仅设置对流及表面辐射边界条件；铺装层上表面、钢箱梁桥面板裸露部分及斜腹板上部，设置太阳辐射、表面辐射及空气对流边界条件；其他各个侧面由于与周围温度场呈现出对称或连续状态，相互之间并不会产生热传导作用，因此ABAQUS默认设置为绝热状态。

图2 钢箱梁及铺装层温度场计算模型

由于江苏省境内钢箱梁桥多集中于跨长江大桥，同时由于铺装层性能主要考虑高温稳定性与低温抗裂性，因此考察江苏省内长江流域夏季高温及冬季低温季节的昼夜气温变化规律[10-11]，其中冬季选取平均气温最低的1月份、夏季选取平均气温最高的7月份的温度值作为代表加以研究。

1月份与7月份的气温变化规律如图3所示。其中1月份平均气温为2.5℃，最低气温为-5.9℃，最高气温为10.9℃；7月份平均气温为29.2℃，最低气温为22.8℃，最高气温为35.6℃。

图3 冬季与夏季气温变化规律

3 钢箱梁及温度场计算

3.1 夏季钢箱梁及铺装层温度场分布

利用热传导理论，选取14：00与02：00两个时刻的温度为代表来研究夏季钢箱梁及铺装层昼夜两个温度场的分布情况，如图4所示。

图4 夏季钢箱梁与铺装层温度场示意图

由图4（a）结合计算结果可知，夏季白天整个钢箱梁最高温度集中于铺装层区域。这是夏季白天的高温空气对流以及强烈的太阳辐射作用所导致，加上沥青混凝土材料的太阳辐射吸收率很高，使得整个铺装层都处于高温状态，平均温度达到55℃以上，表面温度更是超过了60℃；而钢箱梁内部由于不受到外部气温的直接对流交换以及太阳辐射作用，温度相对于铺装层上升较为缓慢；由图4（b）可知，进入夜晚之后，由于没有了太阳辐射，气温随之下降，导致空气对流过程中，铺装层中累积的热量散发至周围环境中。同时因没了太阳直射，铺装层内热量失去了一个主要来源，温度相对于白天大幅下降。而此时，由于钢箱梁内部封闭的空气与外界的对流效果较弱，形成了保温效果，反而成为整个钢箱梁结构中温度最高的区域。而内部高温空气又通过钢桥面板逐渐传递至铺装层，因此铺装层的温度被始终维持在高于外界气温的水平之上。这个现象与范海波[5]等人对钢箱梁内部温度场的实测结果相符。

为了能够更清晰地反映铺装层温度场的昼夜变化规律，将铺装层温度场变化绘制成图，如图5所示。

图5 夏季铺装层温度场变化规律

由图5可知，由于钢箱梁内部空气对铺装层的“保温”效果，铺装层的温度在一天中的任意时刻均高于环境大气温度。白天由于炎热的大气环境以及强烈的太阳辐射作用，铺装层温度要远远高于气温，表面温度超过了60℃，使得铺装层的高温稳定性能面临严峻考验；与此同时，黏结层所在的铺装层底部温度也达到了58℃，黏结层的高温黏结性能也面临着严峻考验。因此，夏季高温天气下，铺装层受到极端气温的影响，内部温度非常高，对作为铺装层材料的沥青混凝土，相比普通路用沥青混凝土，高温性能要求更高。普通路用沥青混凝土通常采用60℃作为材料高温稳定性能试验的试验温度，但对于钢桥面铺装而言，应当将这一标准提升至70℃左右方能够满足桥面铺装沥青混凝土的高温性能要求。而对于铺装层底面的黏结层而言，也至少应当采用60℃作为黏结层高温性能试验的试验温度。

3.2 冬季钢箱梁及铺装层温度场分布

根据模型，对冬季钢箱梁及铺装层温度场进行计算，结果如图6所示。

图6 冬季钢箱梁与铺装层温度场示意图

根据图6显示的结果，冬季由于太阳辐射较弱，外界气温较低，铺装层通过对外辐射与对流交换将自身大量热量散发于周围环境中，因此，铺装层温度在14：00时刻的温度相对于环境气温要低。高温区域出现于钢箱梁结构之上，而桥面铺装层的温度则相对较低。而晚间时刻，高温区域出现于钢箱梁内部空间，与夏季规律较为一致。封闭的钢箱梁环境使得内部空气的热量得以保持，温度高于环境大气温度，同时对铺装层传递热量，在一定程度上对铺装层进行了“保温”。

将铺装层温度场变化绘制成图，如图7所示。

图7 冬季铺装层温度场变化规律

由图7可知，铺装层温度变化幅度在冬季要小于外界气温的变化幅度。这是由于白天太阳辐射较弱，对铺装层的加热作用不够强烈，同时外界气温本身较低，与铺装层之间的对流交换能量较小，导致铺装层的温度上升缓慢。过了13：00时刻之后，气温开始下降，太阳辐射开始减弱，铺装层逐渐由吸收热量转变为散发热量，温度又转而下降；在夜间时段内，由于失去了太阳辐射作用，同时环境气温较低，铺装层温度也持续下降。但由于图6（b）中所示钢箱梁内部温度场相对较高，对铺装层起到了加热保温作用，因此铺装层温度下降较气温下降速度要低，其最低温度也高于最低气温。由图7可知，铺装层及黏结层的最低温度在-4℃左右，因此在铺装层低温抗裂性能评价中，试验温度不应高于-4℃，建议取-5℃。

4 结论

钢桥面铺装层具有明显的温度敏感性，材料性能与温度相关性较强。本文基于热传导理论，利用三维有限元分析法和ABAQUS软件对钢箱梁及铺装层之间的温度场协同变化规律进行了分析，并根据铺装层温度场变化特征，提出江苏省内钢箱梁桥面铺装材料性能的温度要求。本文主要得到以下几点结论。

（1）夏季高温条件下，在强太阳辐射与对流交换的作用下，铺装层温度要远高于环境大气温度，铺装层表面达到了60℃以上，对材料的高温稳定性能提出了较高的要求；铺装层底部即黏结层的温度同样接近60℃，黏结层在高温条件下的黏结性能、抗剪性能必须得到严格保证。

（2）冬季低温条件下，太阳辐射较弱，气温较低，对铺装层的加热作用较小，铺装层的最高温度低于环境最高气温。而夜间由于钢箱梁内部封闭空间的保温作用，铺装层的温度高于环境气温。总体而言，铺装层温度的变化幅度要小于环境气温的变化幅度。

（3）由于钢箱梁结构的相对封闭特性，形成内部相对独立的温度场，对于上部黏结层与铺装层具有保温作用，导致铺装层最低温度均高于环境最低气温。

（4）根据计算结果，江苏省境内长江流域钢桥面铺装层及黏结层高温性能试验温度推荐为70℃左右；低温性能试验温度不高于-4℃，推荐为-5℃。

本文研究成果揭示了钢箱梁与铺装层温度场之间的协同变化规律，同时得出了钢箱梁对上部黏结层及铺装层的“保温”作用，提出了基于理论分析的铺装层结构室内高低温性能试验的推荐温度，对于钢桥面铺装层材料的选择、设计、评价及进一步深入研究中试验环境的设置，提供了理论基础与参考借鉴。

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[11]周岚，倪富健，赵岩荆.环境温度及荷载对沥青路面车辙发展的影响性分析[J].公路交通科技，2011，28（3）：42-47.

Law of Cooperative Change Between Steel Box Girder and Deck Surface

ZHAO Yan-jing1,2,ZHOU Lan3
(1.Nanjing Communications Institute of Technology,Nanjing 211188,China; 2.School of Civil Engineering,Southeast University,Nanjing 210096,China; 3.School of Transportation,Southeast University,Nanjing 210096,China)

In order to analyze the law of temperature field change of steel box girder(SBG)and deck surface under ambient temperature,ABAQUS was utilized to build a SBG and deck surface model for heat transfer analysis.With consideration of such influencing factors as solar radiation,air convection ex⁃change effect,effective radiation itself,etc.,the temperature fields of SBG and deck surface under ambient temperature filed in the Yangtze River valley in Jiangsu Province were analyzed combining with the typical law of ambient temperature changing in summer and winter.The results indicate that:the surface temperature periodically changes with ambient temperature;the temperature of surface is higher than ambient temperature in summer,the maximum temperature is over 60℃;the minimum temperature of surface is lower than-4℃in winter,which proposes higher requirement on high-temperature stability and low-temperature anti-cracking performance of deck surface.Besides,the steel box girder has obvious heat preservation effect,which makes the surface temperature higher than ambient temperature during night.

steel box girder deck;asphalt concrete surface;temperature field;three dimensional fi⁃nite element method;heat transfer analysis

U443.33

A

2095-9931（2015）03-0078-05

10.16503/j.cnki.2095-9931.2015.03.014

2015-04-22

中国博士后科学基金（2015M571644）

赵岩荆（1983—），男，江苏宜兴人，东南大学博士后，从事钢桥面铺装研究工作。

E-mail：benbenzhao@gmail.com。