水泥混凝土桥面沥青铺装层低温温度场分析

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1、第25卷第4期华中科技大学学报(城市科学版)Vo1．25NO．42008年12月J．ofHUST．(UrbanScienceEdition)Dec．2008水泥混凝土桥面沥青铺装层低温温度场分析王虹，吴少鹏1，刘聪慧17王根艳2(1．武汉理工大学硅酸盐工程中心，湖北武汉430070；2．中国五环化学工程公司五环科技股份有限公司，湖北武汉430223)摘要：桥面铺装层在使用期间内产生温度裂缝是水泥混凝土桥面沥青铺装层常见的问题。提高铺装层的抗裂性能是桥面铺装体系结构设计的重要课题。低温开裂是导致桥面铺装层发生破坏的

2、主要原因。本文在对寒冷地区标准气候研究计算的基础上，分析了典型的混凝土桥面沥青铺装体系中沥青铺装层在连续降温条件下铺装层表面温度变化、梯度变化规律，以及铺装层表面最温差的变化，最终为混凝土桥面沥青铺装层抗裂设计提供理论依据。关键词：沥青铺装层；水泥混凝土桥；低温；温度场中图分类号：U416．217；TU663文献标识码：A文章编号：1672—7037(2008)04—0253．04桥面铺装是桥梁行车体系的重要组成部分，根据沥青混凝土桥面铺装层的实际情况，研是桥梁建设的关键技术之一。桥面铺装层在使用究由N层不同材料

3、组成的层状桥面结构的温度场期间内产生温度裂缝是世界各地大跨径桥面铺装问题，基本假设如下：层常见的问题。铺装层裂缝既影响桥面的美观、(1)沥青混凝土铺装层及水泥混凝土箱形梁降低平整度，又削弱桥面的整体承载力，特别是均为完全均匀、各向同性的弹性体；铺装层开裂后水分通过裂缝腐蚀桥面板，加速了(2)桥梁纵向温度分布一致，不考虑温度沿桥铺装层的破坏，缩短了铺装层的使用寿命⋯。提面纵向分析分布的变化；高铺装层的抗裂性能是桥面铺装体系结构设计的(3)桥面铺装层各层间接触紧密，忽略层间热重要课题。阻，层间温度和热流连续；目前，国

4、内外学者对道路的温度场研究颇多，(4)箱梁内空气视为优良的隔热层r2J。但对桥面铺装层温度场的研究尚未见文献报道。1．2计算模型路面温度场理论并不适用于桥面铺装层，而温度根据国内目前高速公路桥梁主要结构形式，又是影响桥面铺装材料使用寿命的重要因素，因暂不考虑路面结构形式和各结构层材料的多样性此有必要对桥面铺装层的温度场进行研究。和变化性，选择水泥混凝土箱形梁桥沥青铺装层本文针对典型的混凝土桥面沥青铺装体系，结构进行研究分析。在进行箱梁温度场分析时，建立合理的力学模型，借助标准气象资料来掌握可以将三维温度场简化为二

5、维温度场来处理J。确定桥面铺装层温度场，研究沥青铺装层在连续模型如图l所示。降温条件下的温度变化规律，为混凝土桥面沥青铺装层抗裂设计提供理论依据。1研究方法桥梁结构置于自然环境中，长期经受气温变化和日照辐射等影响¨。影响桥面铺装层温度场的主要因素为太阳辐射、大气对流换热以及桥面与空气间辐射换热。1．1基本假定图1桥面铺装层有限元模型收稿日期：2008—06—05作者简介：王虹(1981．)，女，山西忻州人，博士研究生，研究方向为沥青混凝土，wanghong@whut．edu．ca。·254·华中科技大学学报(城市

6、科学版)2008年1．3气候条件qq+qⅡ+q。根据我国北方地区典型的气候条件，长春市1993年12月23日出现的连续降温过程是很有式中，q为总的热流密度·m～；为太阳辐射代表性的，本文以此气候条进行分析计算。见表1所示。热流密度：q为大气逆辐射换热热流密度；q。为表1气候条件日期丁m／℃71n‘Ⅱ／℃O／MJ·nrv／m·s～yfc／I1大气对流换热密度。1．5．1太阳辐射作用太阳辐射到铺装层表面时，太阳的辐射量并表中：rn为日最高气温；rI1为曰最低气温；不能完全被铺装层表面吸收，吸收量的大小由材Qr为太阳辐

7、射日总量；v为日平均风速；yl为日料对太阳辐射的吸收率决定。因此进入桥面铺装总云量；C为日照时间。层表面的热流密度为：为了便于分析大气温度作用下铺装层的逐时温度变化规律，依据Barber提出的公式进行计算，qs=0csIt得出24小时逐时大气温度以及逐时太阳辐射总量[2,4-6]。式中，为铺装材料对太阳辐射吸收系数；，为()三+{0．6sin[co(t—to)】+0．146sin[2m(t—to)】)太阳总辐射强度／w·m～。1．5．2大气逆辐射作用Q(t)=根据Stefen．Boltzman热辐射规律分析得桥O

8、面和空气之间的辐射换热为：O．131mQ~cosma,'(t一121[(1。詈)，(1+詈)】q=[一]=[+】(+TP(L—)=(一)0+式中，为Stefen—Boltzman常数；为辐射系数；式中，：，为日平均气温／℃；为空气温度；为箱梁外表面温度；％为大rmaX，1n[Ltn气逆辐射换热系数。=—一，为气温振幅／℃；t为时间／}l，规1．5．3对流换热定早晨6时t=