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【摘 要】 为了探求连续梁桥桥面铺装由于温度变化引起的应力，采用现场观测与理论仿真模拟相结合的手段研究了桥面铺装温度场分布规律。在此基础上，分析了沥青混凝土连续梁桥桥面铺装层在高温季节温度变化引起的温度应力变化规律。结果表明，温度变化引起铺装层间出现较大温差，将产生不容忽视的水平拉应力与层间剪应力。
【关键词】 连续梁桥；沥青马蹄脂碎石；桥面铺装；温度应力；有限元分析
1引言
混凝土梁桥沥青混凝土桥面铺装层的温度随气温、太阳辐射等自然因素而发生变化，引起铺装层产生变形，当这种变形受到约束时，铺装层内将产生温度应力。国内外许多学者对桥梁温度场分布以及温度应力进行了研究，美国Zuk利用气象资料估计桥梁温度分布，指出气温、风、太阳辐射和材料种类都会影响桥梁的温度分布[1]；英国D.A.Stephenson以表面温度波幅为依据，用指数函数来分析混凝土结构沿壁厚方向的温度分布[2]。我国，西南研究所对预应力拼装式箱型桥墩进行现场观测和模拟，证实了在空心桥墩中存在相当大的温差；刘兴法建立了预应力箱梁的控制温度荷载和相应的温度应力计算方法[3]。
本文以某实体工程所在地的气象资料为基础，确定温度场的边界条件和初始条件，建立三维有限元模型，分析在高温季节桥面铺装温度场分布规律以及铺装层温度应力变化规律。
2 铺装层温度场仿真模拟与现场观测
2.1 铺装层温度场仿真模拟
2.1.1温度场边界条件[4]
桥面铺装层的边界条件分为上边界条件、下边界条件以及层间接触条件。上边界条件：桥面铺装层上边界条件满足第二类和第三类边界条件的线性组合，即：
（1）
复合换热系数B并不是常数，因此该式是非线性边界条件。
下边界条件：桥面铺装层下边界条件仅考虑气温的影响，满足第二类边界条件：
（2）
层间接触条件：在层间接触上下的温度Ti、Ti+1以及热流qi、qi+1是连续的，即在层间边界上温度函数Ti（z，t）满足热学中第四类边界条件：
（3）
（4）
2.1.2初始条件
初始条件：即起始时刻桥梁结构的温度场，可实测取得或根据一定的气候条件赋初值。本文采用实测数据进行初始条件的设置。
2.1.3桥面铺装层温度场有限元分析模型
本文根据某实体工程利用ABAQUS有限元分析软件建立三维三跨连续梁桥桥面铺装层温度场有限元分析模型，沥青混凝土桥面铺装结构为粘弹性层状体系，将分析模型分为3个结构层，即：桥面铺装上层、桥面铺装下层、8cm C50水泥混凝土和箱梁。
对结构层作如下假定[5][6]：①各结构层均匀、连续、各向同性；②各层层间竖向、水平位移均连续；③对箱梁底部支座进行约束。
连续梁桥桥面铺装层有限元分析模型计算参数见表2。
2.2 现场观测方案
桥梁位于内蒙古境内双辽至通辽高速公路为一5跨106米的后张法预应力箱型连续梁桥，铺装上下层分别为4cm和5cm的沥青混凝土。将温度传感器预埋于铺装层不同深度处，即桥面铺装层顶面位置、距顶面4cm处、距顶面9cm处。需要观测的温度数据主要有：①桥面铺装结构不同深度处的温度；②与温度场同步的气温数据。
2.3 温度场分布
采用现场观测与仿真模拟对混凝土连续梁桥沥青混凝土铺装层的温度场进行研究。图1为现场监测结果与ABAQUS有限元模拟计算结果对比曲线。可以看到，仿真模拟与现场观测结果基本吻合，说明利用ABAQUS软件对混凝土连续梁桥沥青混凝土铺装层温度场模拟分析的方法是可行的，能够对混凝土连续梁桥沥青混凝土铺装层的温度场做出正确的描述。
3沥青混凝土桥面铺装层温度应力分析
（1）水平剪应力随日温变化规律
根据温度场分布的情况，计算随日温度变化铺装层间剪应力响应最不利位置即在支点负弯矩处铺装层间应力变化规律，见图2。结合图1可以看出，在3：00～15：00之间，由于温度值浮动很小，桥面铺装层间剪应力变化很小；在15：00～0：00之间，温度有大幅度变化，导致桥面铺装上下面层间出现较大温差，由于桥面铺装上下面层的伸缩量不同，桥面铺装层间出现了较大的层间剪应力，而且在15：00～21：00之间的温度变化率大于21：00～0：00之间，导致前者桥面铺装层间剪应力变化率明显大于后者。说明温度急剧变化对桥面铺装层间剪应力变化影响比较显著。
（2）水平拉应力随日温变化规律
分析混凝土连续梁桥桥面铺装层水平拉应力响应最不利位置处随日温变化铺装层顶面纵横向拉应力变化规律，有限元模拟计算结果如图3。结合图1可知，在3：00～15：00之间该地区的小时温差小于4℃，图2、3中显示此时间段内桥面铺装层顶面水平拉应力与层间剪应力的变化比较缓和；当小时温差大于4℃即处于15：00～0：00时间段时，桥面铺装层顶面的纵横向拉应力与层间剪应力均出现大幅度变化，表明当小时温差大于4℃时，温度变化对桥面铺装层水平拉应力与剪应力的影响均比较显著。
4 结论
（1）利用ABAQUS软件对混凝土连续梁桥沥青混凝土铺装层温度场模拟分析的方法是可行的，能够对混凝土连续梁桥沥青混凝土铺装层的温度场做出正确的描述；
（2）温度的大幅度变化，使得桥面铺装层间出现较大温差，桥面鋪装层各层的伸缩变形量不一致，将产生不容忽视的水平拉应力与层间剪应力；
（3）当小时温差大于4℃时，温度变化对桥面铺装层各应力影响比较显著。
参考文献：
[1] E.E古勃施曼.预应力混凝土桥梁理论与计算，北京：人民交通出版社，1965.
[2] Branson DE.Deformation of Concrete Structure.New York：McGraw-HILL，1997.
[3] 刘兴法.混凝土结构的温度应力分析[M].第1版.北京：人民交通出版社，1991.
[4] 盛洪飞.混凝土箱形截面桥梁日照温度应力简化计算[J].哈尔滨建筑工程学院学报，1992（1）.
[5] 许涛.大跨径混凝土桥梁桥面铺装结构研究[D].南京：东南大学，2003.
[6] 日本道路协会.透水性铺装ガィトブツク2007[S].东京：丸善出版株式会社，2007.
[作者简介]：张淑惠（1969―），女，内蒙古巴彦淖尔人，工程师，从事道路与桥梁工程工作（E-mail：[email protected] ）
[通讯作者]：黄文斌（1988―），男，内蒙古巴彦淖尔人，硕士，从事道路与桥梁工程工作（E-mail： [email protected]）.
【关键词】 连续梁桥；沥青马蹄脂碎石；桥面铺装；温度应力；有限元分析
1引言
混凝土梁桥沥青混凝土桥面铺装层的温度随气温、太阳辐射等自然因素而发生变化，引起铺装层产生变形，当这种变形受到约束时，铺装层内将产生温度应力。国内外许多学者对桥梁温度场分布以及温度应力进行了研究，美国Zuk利用气象资料估计桥梁温度分布，指出气温、风、太阳辐射和材料种类都会影响桥梁的温度分布[1]；英国D.A.Stephenson以表面温度波幅为依据，用指数函数来分析混凝土结构沿壁厚方向的温度分布[2]。我国，西南研究所对预应力拼装式箱型桥墩进行现场观测和模拟，证实了在空心桥墩中存在相当大的温差；刘兴法建立了预应力箱梁的控制温度荷载和相应的温度应力计算方法[3]。
本文以某实体工程所在地的气象资料为基础，确定温度场的边界条件和初始条件，建立三维有限元模型，分析在高温季节桥面铺装温度场分布规律以及铺装层温度应力变化规律。
2 铺装层温度场仿真模拟与现场观测
2.1 铺装层温度场仿真模拟
2.1.1温度场边界条件[4]
桥面铺装层的边界条件分为上边界条件、下边界条件以及层间接触条件。上边界条件：桥面铺装层上边界条件满足第二类和第三类边界条件的线性组合，即：
（1）
复合换热系数B并不是常数，因此该式是非线性边界条件。
下边界条件：桥面铺装层下边界条件仅考虑气温的影响，满足第二类边界条件：
（2）
层间接触条件：在层间接触上下的温度Ti、Ti+1以及热流qi、qi+1是连续的，即在层间边界上温度函数Ti（z，t）满足热学中第四类边界条件：
（3）
（4）
2.1.2初始条件
初始条件：即起始时刻桥梁结构的温度场，可实测取得或根据一定的气候条件赋初值。本文采用实测数据进行初始条件的设置。
2.1.3桥面铺装层温度场有限元分析模型
本文根据某实体工程利用ABAQUS有限元分析软件建立三维三跨连续梁桥桥面铺装层温度场有限元分析模型，沥青混凝土桥面铺装结构为粘弹性层状体系，将分析模型分为3个结构层，即：桥面铺装上层、桥面铺装下层、8cm C50水泥混凝土和箱梁。
对结构层作如下假定[5][6]：①各结构层均匀、连续、各向同性；②各层层间竖向、水平位移均连续；③对箱梁底部支座进行约束。
连续梁桥桥面铺装层有限元分析模型计算参数见表2。
2.2 现场观测方案
桥梁位于内蒙古境内双辽至通辽高速公路为一5跨106米的后张法预应力箱型连续梁桥，铺装上下层分别为4cm和5cm的沥青混凝土。将温度传感器预埋于铺装层不同深度处，即桥面铺装层顶面位置、距顶面4cm处、距顶面9cm处。需要观测的温度数据主要有：①桥面铺装结构不同深度处的温度；②与温度场同步的气温数据。
2.3 温度场分布
采用现场观测与仿真模拟对混凝土连续梁桥沥青混凝土铺装层的温度场进行研究。图1为现场监测结果与ABAQUS有限元模拟计算结果对比曲线。可以看到，仿真模拟与现场观测结果基本吻合，说明利用ABAQUS软件对混凝土连续梁桥沥青混凝土铺装层温度场模拟分析的方法是可行的，能够对混凝土连续梁桥沥青混凝土铺装层的温度场做出正确的描述。
3沥青混凝土桥面铺装层温度应力分析
（1）水平剪应力随日温变化规律
根据温度场分布的情况，计算随日温度变化铺装层间剪应力响应最不利位置即在支点负弯矩处铺装层间应力变化规律，见图2。结合图1可以看出，在3：00～15：00之间，由于温度值浮动很小，桥面铺装层间剪应力变化很小；在15：00～0：00之间，温度有大幅度变化，导致桥面铺装上下面层间出现较大温差，由于桥面铺装上下面层的伸缩量不同，桥面铺装层间出现了较大的层间剪应力，而且在15：00～21：00之间的温度变化率大于21：00～0：00之间，导致前者桥面铺装层间剪应力变化率明显大于后者。说明温度急剧变化对桥面铺装层间剪应力变化影响比较显著。
（2）水平拉应力随日温变化规律
分析混凝土连续梁桥桥面铺装层水平拉应力响应最不利位置处随日温变化铺装层顶面纵横向拉应力变化规律，有限元模拟计算结果如图3。结合图1可知，在3：00～15：00之间该地区的小时温差小于4℃，图2、3中显示此时间段内桥面铺装层顶面水平拉应力与层间剪应力的变化比较缓和；当小时温差大于4℃即处于15：00～0：00时间段时，桥面铺装层顶面的纵横向拉应力与层间剪应力均出现大幅度变化，表明当小时温差大于4℃时，温度变化对桥面铺装层水平拉应力与剪应力的影响均比较显著。
4 结论
（1）利用ABAQUS软件对混凝土连续梁桥沥青混凝土铺装层温度场模拟分析的方法是可行的，能够对混凝土连续梁桥沥青混凝土铺装层的温度场做出正确的描述；
（2）温度的大幅度变化，使得桥面铺装层间出现较大温差，桥面鋪装层各层的伸缩变形量不一致，将产生不容忽视的水平拉应力与层间剪应力；
（3）当小时温差大于4℃时，温度变化对桥面铺装层各应力影响比较显著。
参考文献：
[1] E.E古勃施曼.预应力混凝土桥梁理论与计算，北京：人民交通出版社，1965.
[2] Branson DE.Deformation of Concrete Structure.New York：McGraw-HILL，1997.
[3] 刘兴法.混凝土结构的温度应力分析[M].第1版.北京：人民交通出版社，1991.
[4] 盛洪飞.混凝土箱形截面桥梁日照温度应力简化计算[J].哈尔滨建筑工程学院学报，1992（1）.
[5] 许涛.大跨径混凝土桥梁桥面铺装结构研究[D].南京：东南大学，2003.
[6] 日本道路协会.透水性铺装ガィトブツク2007[S].东京：丸善出版株式会社，2007.
[作者简介]：张淑惠（1969―），女，内蒙古巴彦淖尔人，工程师，从事道路与桥梁工程工作（E-mail：[email protected] ）
[通讯作者]：黄文斌（1988―），男，内蒙古巴彦淖尔人，硕士，从事道路与桥梁工程工作（E-mail： [email protected]）.