文章编号:１６７３－６０５２(２０１８)０５－００２４－０３ ＤＯＩ:１０.１５９９６/ｊ.ｃｎｋｉ.ｂｆｊｔ.２０１８.０５.００６
北方寒冷地区钢桥面铺装层温度场分布规律研究
常家树
(辽宁省高速公路运营管理有限责任公司朝阳分公司 朝阳市 １２２６２９)
摘 要:依托沈阳绕城高速公路后丁香大桥四号桥工程实例ꎬ通过埋设温度传感器ꎬ采集不同时期、不同位置、不同层位的温度数据ꎬ对北方寒冷地区钢桥面铺装层温度分布规律进行研究ꎬ可为钢桥面铺装温度设计标准提供依据ꎮ
关键词:北方寒冷地区ꎻ钢桥面铺装层ꎻ温度场分布ꎻ温度传感器ꎻ采集系统ꎻ分布规律
中图分类号:Ｕ４４３.３３ 文献标识码:Ａ
１ 概述
钢桥因其轻质高强施工方便的优点正处于高速发展时期ꎬ而目前的桥面铺装又多采用沥青混凝土ꎮ已有研究表明ꎬ温度是影响桥面使用寿命的重要因素ꎬ尤其钢桥面铺装因其特殊的闭口结构ꎬ在高温季节桥面最高温度高于大气温度ꎬ低温季节桥面最低温度又低于大气温度ꎬ因此有必要对钢桥桥面温度进行预估ꎬ以提出桥面设计温度ꎮ特别是我国北方地区及高原地区冬季寒冷ꎬ可达到－１０℃以下ꎬ极寒冷地区可达－３０℃以下ꎮ由于太阳辐射、风速、大气温度等气象因素ꎬ钢箱梁及铺装层内温度均不断随着时间而改变ꎬ是典型的非稳态传热现象ꎮ
桥面铺装的温度场的分析方法ꎬ一般有以下三种:
(１)用热传导微分方程求解ꎻ(２)采用近似数值解ꎻ(３)用半理论半经验公式ꎮ
限公司生产的ＪＭＴ－３６Ｃ型温度传感器ꎮ该传感器端头为圆柱体ꎬ其直径为６ｍｍꎬ高度为４０ｍｍꎮ传感器的分辨率为０.１℃ꎬ精度±０.５℃ꎬ测量范围为不同ꎬ数据引线电缆长度为４~１２ｍ不等ꎮ２.２ 数据采集仪
使用ＪＭＺＸ－３２数据采集仪进行电阻采集ꎬ该系统是一种功能强大的分布式、全自动、多点温度静态数据无线采集系统ꎮ由控制单元(如计算机、无线收发仪等)、采集单元(包括采集模块、无线传输模块、电源模块及全密封箱等)以及系统软件(包括计算机软件、嵌入式系统软件)组成ꎬ系统可要求配接各种温度传感器(如热敏电阻式、金属式、半导体式等温度传感器)ꎮ系统采用分布式结构ꎬ每个采集单元的任意通道可接入各种温度传感器ꎬ且能任意组成８~２０００测点的自动化测量系统ꎮ系统具有极强的灵活性ꎬ能适应各种环境要求下ꎬ对温度场自动化监测的工程项目ꎮ可广泛应用于公路、桥梁、建筑、铁路、大坝、实验室等工程领域中ꎬ长期无人值守的自动化监测ꎬ特别适用于高空、高危、偏远野外等恶劣环境的远程无线遥测ꎮ２.３ 数据采集软件
齐全ꎬ用户可通过本软件对仪器设备进行初始化设置、远程测量、远程读取数据并将所获得的数据转换为文本、Ｅｘｃｅｌ数据表格以及从打印机中输出ꎬ使操
ＪＭＺＲ２０００采集软件使用界面友好方便ꎬ功能－２０℃~１１０℃ꎬ线性误差±０.３℃ꎮ根据埋设位置
第三种方法是从现场实测数据出发ꎬ考虑影响控制温度的主要因素ꎬ用数理统计的方法ꎬ建立控制时刻温度场计算的经验公式的方法ꎮ通过埋设监测温度传感器采集不同时期、不同位置、不同层位的温度ꎬ研究后丁香大桥沥青混凝土铺装层温度分布规律ꎬ为钢桥面沥青混凝土温度设计标准提供依据ꎮ２ 铺装层温度采集系统２.１ 温度传感器
所使用的温度传感器为长沙金码高科技实业有
２０１８年 第５期 常家树:北方寒冷地区钢桥面铺装层温度场分布规律研究—２５—
作使用或分析更加安全、方便、简洁、高效ꎮ
本系统是在ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＷｉｎｄｏｗｓＸＰ环境下开发的系统ꎬ系统的最佳运行环境是ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＷｉｎｄｏｗｓ３ 温度现场监测概况３.１ 测点布置
选择连续梁中最大跨径６１ｍ的跨中断面ꎬ分别在上层铺装层底面及下层铺装层底面不同的行车道位置布设温度传感器ꎬ传感器距离层底距离１ｃｍꎮＸＰ系统(显示分辨率为１０２４×７６８ꎬ３２位真彩色)ꎮ
秋季北方地区寒冷干燥ꎬ早晚温差较大ꎬ本项目在２０１４年１０月１７日、１０月１８日两天从早９点至下午１５点ꎬ进行了连续８ｈ温度监测ꎬ每１０ｍｉｎ读取一次数据ꎬ监测结果如图３所示ꎮ
为了防止传感器及其电缆线在施工过程中被损害ꎬ在传感器埋设之前采用１ｃｍ×１ｃｍ空心方钢对其缆线进行保护ꎻ而且ꎬ采用细料对其进行覆盖并用橡胶锤击实ꎬ施工结束后对其线路监测ꎬ发现该方法埋设的温度传感器成活率１００％ꎮ温度传感器布设情况见图１ꎮ
图１ 桥铺装层温度分布监测测点布置图(单位:ｃｍ)
３.２ 温度监测结果分析
为掌握桥面铺装使用状态ꎬ分别于２０１４年８月(三次对桥面铺装的使用情况进行现场调研夏季)、２０１４年１０月(秋季)、２０１５年１月ꎮ
(冬季)车辙变形主要在高温期间发生ꎬ车辙形成的机理主要是沥青混凝土的侧向流动ꎬ在高温条件下车轮碾压的反复作用使流动变形不断累积形成车辙ꎬ因此高温车辙与七、八月份平均最高温度联系最为密切ꎮ本项目在２０１４年８月１０日、８月１２日两天从早９点至下午１５点ꎬ进行了连续８ｈ温度监测ꎬ每１０ｍｉｎ读取一次数据ꎬ监测结果如图２所示ꎮ
图２ 夏季铺装层温度监测曲线
图３ 秋季铺装层温度监测曲线
冬季北方地区寒冷漫长ꎬ早晚温差较大ꎬ由于降温及温度循环反复作用在桥面铺装层而产生温度收缩裂缝ꎬ最低温度、温度下降速率、负积温等是影响桥面铺装温度收缩的要素ꎮ本项目对冬季气温的变化进行了重点监测ꎬ在２０１５年１月１２日早９点至１月１３日早９点ꎬ进行了连续２４ｈ温度监测ꎬ每１０ｍｉｎ读取一次数据ꎬ监测结果如图４所示ꎮ
图４ 冬季铺装层温度监测曲线
不同时期监测得到的最高温度及最低温度汇总ꎬ见表１ꎮ
表１ 后丁香四号桥温度监测汇总表
层位夏季高温(℃)秋季高温(℃)
冬季低温(℃)
ＳＭＡＳＭＡ－－Ｃ６Ｃ５４２.４３.９２３.ＲＡＲＡ－Ｃ１２
３９.７２３.６－－９.７
ＲＡ－４１.９２１.６－１１.０大气温度－Ｃ１１Ｃ１０４１.７２２.７－１０.３５.４８２２.４２２.９９－１０.０９－１１.９.６１路表温度４８.４
２５.３
－８.９ 由图(１)钢桥面铺装层的温度变化规律与大气温度
２~图４及表１监测数据可知:
变化规律相似ꎮ路表直接与大气接触ꎬ温度更易受
—２６—北方交通 ２０１８年 第５期
大气温度的影响ꎬ受车辆荷载轮胎的直接作用ꎬ路表温度要高于铺装层内部的温度ꎻ铺装层内部的温度随着大气温度的变化而变化ꎬ铺装层内部温度有热传递现象ꎬ无论升温还是降温ꎬ内部温度达到极值的时间有明显的滞后性ꎮ
高于下层温度ꎬ相同层位的不同位置ꎬ行车道外侧的温度高于内侧ꎮ
且极端温度持续时间更长ꎮ以四号桥为例ꎬ夏季高温时大气最高温度为３５.８℃ꎬ而铺装层内部最高温度达到４３.７℃ꎬ比大气温度高７.９℃ꎬ冬季低温时ꎬ大气温度最低温度为－９.６℃ꎬ而铺装层内部的最低温度达到－１１.１℃ꎬ比大气温度低１.５℃ꎮ４ 主要结论
通过以上温度场监测ꎬ得到了以下结论:数据采集仪和ＪＭＺＲ２０００采集软件组成了后丁香大桥钢桥面沥青混凝土铺装层温度监测系统ꎮ
(２)采用１ｃｍ×１ｃｍ空心方钢对其缆线进行包(１)采用ＪＭＴ－３６Ｃ型温度传感器、ＪＭＺＸ－３２(３)铺装层内部的极端温度高于大气温度ꎬ而(２)相同时间内ꎬ不同层位同一位置上层温度
裹ꎬ可以有效降低施工车辆和混合料高温等因素对传感器线缆和探头的破坏ꎬ该方法埋设的温度传感器成活率１００％ꎮ
高于下层温度ꎬ相同层位的不同位置ꎬ行车道外侧的温度高于内侧ꎮ三个季节中ꎬ铺装层路表温度高于空气温度和铺装层内部的温度ꎮ
３５.８℃时ꎬ路表温度可达４８.４℃ꎬＳＭＡ层内温度可为－９.６℃时ꎬ路表温度可达－８.９℃ꎬＳＭＡ层内温度可达－１１℃ꎬＲＡ层中温度可达－１１.１℃
通过以上监测数据和规律ꎬ可为建立控制时刻温度场计算的经验公式及方法奠定科学依据ꎮ
参考文献
[１] 辽宁省交通规划设计院有限责任公司.沈阳绕城高速公路后
丁香大桥稳定性评价技术[Ｚ].沈阳:２０１７.５.
[２] 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ꎬ２００６.１０.
(３)相同时间内ꎬ不同层位同一位置上层温度
(４)桥面温度监测结果表明:夏季大气温度为
达４３.７℃ꎬＲＡ层中温度可达４１.７℃ꎻ冬季大气温度
ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＦｉｅｌｄＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎＬａｗｏｆＳｔｅｅｌＤｅｃｋ
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ＮｏｒｔｈｅｒｎｃｏｌｄｒｅｇｉｏｎꎻＳｔｅｅｌｄｅｃｋｐａｖｅｍｅｎｔｌａｙｅｒꎻＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎꎻＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
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