基于瞬态传热理论的钢桥面板摊铺温度效应研究

Asphalt concrete is the mainly material that widely used in long-span bridge, however, local temperature deformation of steel deck plate incited by the high-temperature paving is appeared constantly, and the local temperature deformation has a adverse effect on the performance of bridge deck layered composite system. The temperature effect of bridge deck system is selected as breakthrough point in the research, planning to reveal the effect that paving temperature on bridge structure and the mechanism that temperature deformation of bridge deck plate on pavement disease. At first, space-time change law of local temperature field is established based on infrared thermal imaging technique, combine with nonlinear simulation technology of Interfacial thermal resistance, the Thermodynamic parameters of material can be defined to establish a thermosetting coupling model accord to transient heat transfer theory. Based on the results of field measuring and numerical simulation, the worst temperature loading equation is determined to analyze the space-time change law of local temperature field theoretically. And then, combining with multi-scale and sub-model technology, collaborative deformation theory of bridge deck system is incited to study the interaction mechanism that coupling effect of temperature deformation and load effect on the performance of pavement and adhesive layer of pavement. The new composite beam test is designed at last, the test reveals the mechanism and discipline that structural defect caused by temperature deformation of bridge deck evolves into macroscopic disease quantificationally. Research results reveal the mechanism and discipline that high-temperature paving effect on performance of steel bridge deck system, and the hidden danger of bridge structure.

沥青混凝土是大跨径桥梁常用的铺装材料，但其高温摊铺会引起钢桥面板的局部温度变形，从而对桥面层状复合体系的性能造成影响。本研究以桥面系温度效应为突破点，揭示摊铺温度荷载对桥梁结构的影响以及钢桥面板温度变形对铺装病害的作用机理。首先采用红外热像技术建立桥面系局部温度场时空变化规律，并结合界面热阻非线性模拟技术确定材料热力学参数以建立基于瞬态传热理论的热-固耦合模型。然后根据实测与数值模拟结果，确定最不利温度荷载方程，从理论角度反映温度场随时空的变化关系。结合多尺度及子模型技术，引入桥面系协同变形理论研究桥面板温度变形-施工车载耦合作用对铺装层性能和铺装体系粘结层的交互作用机理。最后设计新型复合梁结构试验，定量反映桥面系温度变形造成的结构缺陷发展至宏观病害的机理与规律。研究成果有助于揭示高温摊铺对钢桥面系结构性能的作用机理和影响规律，以及对桥梁正交异性板结构的安全隐患。

沥青混凝土是大跨径钢桥常用的铺装材料，但其高温摊铺会引起钢桥面板的局部温度变形，不仅会对桥面层状复合体系的性能造成影响，甚至可能造成桥梁结构安全隐患，然而这种温度效应在桥梁结构中的影响并未引起重视。本研究以钢桥面系温度效应为突破点，揭示摊铺温度荷载对桥梁结构的影响，以及钢桥面板局部温度变形对铺装层性能和铺装体系层间粘结体系的影响机理。首先分析摊铺机作为移动热源所导致的桥面局部温度场变化规律与空间分布特征，据此确定温度监测关键测点的选取与分布位置，通过实时监测沥青混凝土高温摊铺时钢桥桥面温度变化建立了钢桥面系局部温度场时空变化规律。结合界面热阻非线性模拟技术确定材料热力学参数以建立基于瞬态传热理论的温度场模型，利用实测温度数据修正温度场模型，在此基础上对不同工况及结构参数下的温度场进行敏感性分析，并得出考虑敏感性因素的钢箱梁摊铺温度荷载计算公式，研究成果有利于桥梁结构设计计算时考虑摊铺温度荷载作用。然后结合多尺度及子模型技术，计算了动态摊铺过程中温度场变化所引起的钢箱梁结构温度应力场和钢桥桥面局部温度变形场，分析了摊铺温度荷载对正交异性板结构稳定性的影响，并研究了桥面板温度变形-施工机具耦合作用对铺装层性能和铺装体系层间粘结体系的交互作用机理，研究成果有利于揭示钢桥面板温度变形与铺装层早期病害的本质联系。最后，分析了最不利温度荷载作用下，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变化对正交异性板结构力学响应的影响，建立了“铺装层-温度变形效应-桥面板结构”的交互作用机理，研究成果有助于揭示高温摊铺对钢桥面系结构性能的作用机理和影响规律，并减缓早期病害的产生。