沥青混凝土摊铺温度效应下的钢桥面板-铺装系交互作用研究

摘要

沥青混凝土高温摊铺时钢箱梁桥会产生具有非线性和时-空变化特征的温度场，在荷载耦合作用下钢箱梁桥发生变形，并引起附加应力，其变形特征及受力机理非常复杂。高温摊铺温度效应不仅对桥面系层状复合体系性能产生影响，甚至还可能威胁桥梁结构安全，然而现阶段已有研究对此问题并未引起足够重视。本文从钢桥面摊铺温度场研究开始，以桥面系温度效应为突破点，揭示摊铺温度荷载对钢箱梁桥的影响以及桥面系结构交互作用的特征和规律。
　　首先，依据傅里叶定律及热量平衡原理推导出钢箱梁摊铺三维瞬态温度场的导热微分方程，构建钢箱梁摊铺温度与时间域、空间域的函数关系;依据热传导理论，分析钢箱梁摊铺温度场边界及内部传热情况，并按热传导第三类边界条件对其边界进行定义;分析了钢桥面摊铺瞬态温度场直接积分法及温度效应中弹性热应力的求解问题。
　　然后，运用热像测温技术对钢桥面摊铺温度场进行实测，分析正交异性钢桥面板及铺装层局部温度场时-空分布规律，依据实测数据对相关热力学参数进行确定，采用生死单元技术对沥青混凝土动态摊铺施工过程进行有限元计算，确立了一种钢桥面沥青摊铺温度场数值仿真计算方法。
　　进而，基于瞬态传热理论，采用提出的钢桥面沥青摊铺温度场生死单元数值仿真技术，建立考虑上下面层沥青混凝土摊铺过程中的扁平钢箱梁摊铺温度场热固耦合仿真计算模型，分析其桥面系温度场的时-空分布规律;采用三角函数及指数函数分别对钢桥面板摊铺温度横向及竖向最不利温度荷载模式进行拟合，定量地描述了沥青混凝土摊铺温度场三维空间变化特征;同时进行了钢桥面摊铺温度场影响因素分析，获得了内外因素的影响因子，提出了考虑不同影响因素的钢箱梁摊铺温度荷载方程。
　　其次，采用顺序耦合的热力学计算方法，在建立的三节段热力学模型中导入温度场计算结果进行温度效应计算，研究了热固耦合钢箱梁结构位移及应力时-空分布规律和特征，并分析了温度对桥梁结构的影响;研究了摊铺温度荷载作用下粘结层剪切应力和铺装层应力大小及分布规律，并用剪切试验拟合的抗剪强度函数关系式对摊铺温度作用下的粘结层抗剪强度进行验证。
　　最后，分析温度-施工荷载耦合作用下钢桥面板横向应力、纵向应力、竖向位移的横向分布规律，研究表明:由于钢箱梁跨中截面并没有达到最不利温度荷载，施工机械荷载耦合作用下的钢桥面板力学响应指标仍旧小于最不利温度荷载时刻大小。修改模型参数进行多次数值仿真，研究最不利荷载作用下，正交异性板结构参数及布置对铺装层厚度及力学指标的影响以及不同铺装层厚度及模量对正交异性板钢桥面板力学响应的影响，并通过正交试验，分析钢桥面板-铺装系交互作用的特征与规律。
　　综上所述，论文基于瞬态传热学基本理论，通过实测分析及数值仿真技术，对钢桥面沥青摊铺温度场及温度效应进行了研究，并就钢桥面板-铺装系的交互作用开展探索。研究成果揭示了沥青混凝土高温摊铺温度场及温度效应的时-空分布规律，剖析了高温摊铺效应下桥面系结构交互作用的特征，可指导钢桥面铺装优化设计并完善施工及养护措施，减缓摊铺高温对桥梁结构的影响，抑制铺装系早期病害的产生。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

主要符号表

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 温度场研究

1．2．2 温度效应研究

1．2．3 研究现状综合分析

1．3 主要研究内容及技术路线

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 拟采取的研究实施方案及技术路线

第二章 钢箱梁沥青摊铺温度场及温度效应计算理论

2．1 钢箱梁沥青摊铺温度场导热微分方程

2．2 钢箱梁沥青摊铺温度场边值条件

2．2．1 初始条件

2．2．2 边界条件一般形式

2．3 钢箱梁沥青摊铺温度场边界定义及相关参数的确定

2．3．1 温度场边界及内部传热情况

2．3．2 钢箱梁沥青摊铺温度场边界定义

2．4 钢箱梁沥青摊铺瞬态温度场的求解

2．4．1 有限单元法瞬态传热导方程

2．4．2 有限单元法瞬态传热导方程的求解

2．5 钢箱梁摊铺温度应力

2．5．1 温度应力问题的物理方程

2．5．2 虚功原理

2．5．3 温度应力问题的有限元计算

2．6 本章小结

第三章 钢桥面沥青摊铺温度场热像检测技术及数值仿真

3．1 摊铺温度实测

3．1．1 测温仪器

3．1．2 测量方案

3．1．3 实测温度修正

3．2 实测温度场温度分布规律

3．2．1 摊铺区域桥面系测点温度-时间变化规律

3．2．2 摊铺区域桥面系横向及竖向温度分布规律

3．2．3 摊铺区域钢桥面板纵向温度分布规律

3．3 钢桥面沥青摊铺温度场有限元分析方法研究

3．3．1 模型结构及设计参数

3．3．2 边界条件

3．3．3 热学参数的设定

3．3．4 初始条件

3．3．5 沥青摊铺施工过程温度场有限元模型的建立

3．3．6 结果对比分析

3．4 本章小结

第四章 基于瞬态传热理论的钢箱梁动态摊铺温度场数值分析

4．1 钢箱梁沥青摊铺温度场数值仿真

4．1．1 模型结构及设计参数

4．1．2 仿真模型的建立

4．1．3 仿真计算结果

4．2 钢桥面沥青摊铺温度场横向分布规律

4．2．1 横向测点布置

4．2．2 横向温度分布规律

4．2．3 横向最不利温度荷载拟合

4．3 钢桥面沥青摊铺温度场竖向分布规律

4．3．2 钢桥面竖向温度分布规律

4．3．3 竖向最不利温度荷载拟合

4．4 钢桥面沥青摊铺温度场纵向分布规律

4．4．1 纵向测点布置

4．4．2 钢桥面纵向温度分布规律

4．4．3 纵向温度荷载拟合

4．5 钢桥面沥青摊铺温度场影响因素分析

4．5．1 环境温度

4．5．2 太阳辐射强度

4．5．3 风速

4．5．4 混合料初始温度

4．5．5 不同的铺装材料

4．5．6 钢桥面板厚度

4．5．7 铺装厚度

4．5．8 多因素影响下的最不利温度荷载公式

4．6 本章小结

第五章 热固耦合作用下钢箱梁结构温度效应研究

5．1 沥青摊铺作用下钢箱梁温度效应有限元模型

5．1．1 几何模型

5．1．2 材料参数

5．1．3 边界条件及荷载

5．2 下面层GA摊铺情况下的钢箱梁力学响应分析

5．2．1 钢箱梁总体位移响应

5．2．2 钢箱梁总体应力响应

5．2．3 横隔板力学响应研究

5．2．4 U肋力学响应研究

5．3 上面层SMA摊铺情况下的钢箱梁力学响应分析

5．3．1 钢箱梁总体位移响应

5．3．2 钢箱梁总体应力响应

5．4 粘结层和铺装层力学响应分析

5．4．1 粘结层剪切应力研究

5．4．2 铺装层应力分析

5．5 本章小结

第六章 钢箱梁沥青摊铺施工过程中桥面系结构交互作用研究

6．1．1 沥青摊铺时施工荷载

6．1．2 施工机械荷载与温度荷载的耦合作用

6．1．3 荷载耦合作用下的钢桥面板力学响应分析

6．2 下面层GA摊铺情况下桥面系交互作用关系分析

6．2．1 摊铺温度作用下钢桥面板变形对摊铺厚度的影响

6．2．2 摊铺厚度对钢桥面板力学响应的影响

6．3 上面层SMA摊铺时桥面系交互作用关系分析

6．3．1 铺装层力学响应关键影响因素敏感性分析

6．3．2 钢桥面板力学响应关键因素敏感性分析

6．4 摊铺温度荷载下桥面板-铺装系交互作用的特征与规律

6．4．1 正交试验设计

6．4．2 钢桥面板结构参数对铺装力学响应的影响

6．4．3 铺装参数对钢桥面板力学响应的影响

6．5 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 主要研究结论

7．2 主要创新点

7．3 进一步研究设想

致谢

参考文献

附录

作者简介