大跨度钢箱梁桥面沥青高温同步摊铺技术

刘诗迪LIU Shi-di；夏志华XIA Zhi-hua

（中铁九局集团有限公司，沈阳110051）

0 引言

随着我国不断推进绿色低碳理念，绿色低碳新材料技术也不断取得新突破，作为典型的高强钢已经成功应用于建筑工程建设中并得到广泛推广。随之各类大跨径钢结构桥梁为工程建设者所青睐，其优势越发凸显。当然，随着钢结构桥梁的大量应用推广，钢桥桥面的铺装施工质量与人们生活也息息相关。在实际工程施工中，沥青铺装材料铺装温度一般均为160℃左右，而钢箱梁的特性不仅是传热性能好，热膨胀系数也高，这就导致施工时沥青摊铺料温度过高极容易造成钢桥面温度骤增，为此引起钢结构整体产生内力变化和温度荷载，那么发生损伤桥梁结构的可能性就增大。目前，诸如此类的事故频繁发生，因此，应高度重视钢桥桥面高温沥青摊铺料的施工技术及其引起的相应钢结构温度荷载的影响，有效避免钢结构桥面破坏问题。（图1、图2）

图1 支座剪力螺栓拉断

图2 垫石被钢挡块挤碎

1 工程概况

由我单位承建的沈阳市长青街快速路工程，包括道路与桥梁工程，工程造价47890万元，施工工期为360日历天。其中，桥梁工程主线长约1970m，上跨泉园一路、泉园二路、泉园三路、文化东路等构筑物，其连续梁部分的主要跨度分布为68m+108.5m+43m+103.5m+65m，总长388m。钢箱梁桥面沥青料摊铺施工基本还都是采用沥青料在高温状态下进行施工的技术，环境温度选择范围为140-160℃之间，可见沥青料在高温状态下会导致钢箱梁桥面温度快速上升是必然结果，钢箱梁桥面温度变化就会产生梯度现象，直接导致强烈的温度荷载作用下钢箱梁发生温度应力集中和温度变形。尤其在分左右幅施工时，常常会导致钢梁呈“C”字型发生形变，当形变超过桥梁支座所能承受的最大横向位移时，就会导致支座剪力螺栓断裂，破坏钢结构工程的安全质量。因此，控制沥青摊铺施工技术与摊铺施工温度，对大跨度钢箱梁桥面质量，不仅意义重大也是关键所在。本文主要通过不断试验分析研究钢箱梁支座在高温沥青铺装时受到温度变化的影响变化规律，针对钢结构可能产生较大应力应变及其相应连锁产生钢箱梁支座受剪损坏问题，总结形成切实可行的一套预防控制技术措施，从而保证钢箱梁桥面施工质量与安全及整体桥梁结构的质量与安全。

2 钢箱梁桥面高温沥青同步摊铺技术

2.1 施工环境温度

常规的钢箱梁桥面基层沥青摊铺施工，通常选择环境温度范围在30~40℃之间的夏季，且施工时的环境温度范围在50~60℃之间；这样基层沥青摊铺时产生的温度场与环境温度差别较小，以减少钢箱梁表面初始温差与沥青摊铺温差较大的影响，降低钢箱梁发生较大应力应变的可能性。

2.2 沥青摊铺方式

常规的钢箱梁桥面基层沥青摊铺施工一般均采取由两端向跨中同步进行，并控制两端摊铺机施工速率，确保同速率施工。从而减小由单侧摊铺产生的温度荷载引起的桥梁横向位移。钢箱梁的两侧对称受到相同的沥青摊铺温度荷载的影响，钢箱梁受力更加均匀。

基层沥青摊铺过程中，必须定期监控钢箱梁的温度场情况以及钢箱梁的变形情况。当钢箱梁温度场的温差或者变形量超过设计值时，则减缓摊铺速度或暂停摊铺，钢箱梁温度与变形回复初始状态后才能继续摊铺，直至完成基层沥青摊铺。

2.3 基层沥青设计

基层沥青需要选用以下3种铺装设计的任意一种：①常温环氧沥青；②高粘改性沥青材料；③采用轻型混凝土加钢筋网、剪力件铺装底层上层采用SMA13沥青混合料。采用该3种材料的优势在于：①使用常温环氧沥青、改性沥青材料或轻型混凝土隔热层目的用于降低摊铺温度从而尽可能的减小基层沥青的摊铺温度，以减小摊铺温度场对桥梁结构的温度效应。②采用环氧、高粘、轻型混凝土加钢筋网剪力件保证铺装层有利于铺装材料与钢板间协调变形，有效阻止铺装层的推移开裂。

2.4 沥青摊铺厚度

钢箱梁桥面沥青摊铺厚度是钢箱梁受热产生温度变化的关键因素，沥青摊铺厚度越厚，高温沥青混合料传递给钢箱梁的温度越高，并且钢箱梁高温状态持续的时间也越长。因此，适当减小钢桥面沥青铺装层的厚度，能有效改善钢箱梁结构的温度效应。常规基层沥青的铺设厚度一般选取在2.5~3.5cm范围内，采用较小的摊铺厚度也能够有效降低沥青的摊铺温度，从而减小摊铺温度场对钢箱梁的温度效应，也就尽可能的减低高温沥青摊铺施工对钢箱梁应力应变的影响。

2.5 钢箱梁温度监测

常规钢箱梁温度场监控，主要采用红外温枪+热电偶联合测控技术。监控部位集中在钢箱梁的U肋断面、钢箱梁的顶板、腹板和底板处，并采取多点测温方案。测温点及热电偶布设方案与要求详见本文第3章节内容。

3 钢箱梁热电偶布置及变形监测

3.1 热电偶布置

本工程选用J型热电偶，并采用J型热电偶+N19211热电偶输入模块+cDAQ-9191单槽机箱组合使用技术方案，并且对热电偶布设方案进行明确要求。即在钢箱梁相邻两个横隔板上的热电偶布设方式不能相同，如果其中一个横隔板上的热电偶采用了横向布设方式，那么另一个横隔板上的热电偶就必须采用纵向布设方式，且相邻的两个横隔板一般相距2m为宜。

当总体采用竖向布设热电偶方式时，针对热电偶较多的具体情况，宜采取均匀布设在横隔板两侧的方式，且宜分布于距沥青摊铺边缘1/4位置处，具体布设如图3所示。

图3 热电偶横隔板上布设

当总体采用横向布设热电偶方式时，针对热电偶较多的具体情况，宜分别布设在钢箱梁横隔板两端的摊铺边缘区域及距边缘区域1/4位置处，具体布设如图4所示。

图4 热电偶横隔板上布设

施工中，沥青摊铺至边缘位置处常常出现沥青分布离散不均匀等现象，导致温度梯度有差值现象发生，显而易见，热电偶在沥青摊铺边缘处的设置数量，对能否准确的测控钢箱梁的温度变化情况具有重要意义。

3.2 温度监测

本工程中主要对沥青摊铺区范围内钢箱梁桥面温度变化情况进行测量，重点目标范围就是沥青摊铺区域中央的U肋区和桥面顶板的底面。测温点布设应覆盖到钢箱梁的顶部、腹板、底部及U肋，测温点布设具体如图5所示。需要强调的是U肋上的六个测温点均应布置在U肋的一侧；针对沥青摊铺施工区中部桥面顶板进行测温时，测温范围集中在两个相邻U肋之间，测温点布设具体如图6所示（即图中A、B、C、D、E、F、G）。

图5 红外温枪U肋测点布设

图6 红外温枪顶板测点布设

温度监测记录频次为每10min记录一次数据，通过对测得数据的统计分析，清楚掌握钢箱梁的温度变化实际情况。如钢箱梁上温度差值超过60℃时，必须暂停或减缓摊铺施工，及时监控各个部位钢箱梁的温度变化情况及温差变化情况，预防钢箱梁产生超大变形，直至温差恢复至20℃之内时，方可恢复沥青摊铺施工。

3.3 变形监测

施工过程中，必须对钢箱梁变形进行定时监测。本工程主要采用全站仪+全站仪反光片组合技术方案，先在监测部位安设全站仪反光片，再利用全站仪进行钢箱梁的梁体位移量监测，最后对监测数据进行统计分析并反馈指导施工。基层沥青摊铺时，监测部位在钢箱梁底部、端部及梁体支座处，且每个支座均应进行监测。监测频次为每20分钟进行一次监测，且注意及时采集原始点坐标值、及时记录原始数据与监测数据，及时整理计算实际位移值。在沥青摊铺过程中，实测位移值接近或超过支座允许最大位移时，应停止或减缓摊铺施工，预防钢箱梁的应力应变接近或超过允许值而剪短梁体支座螺栓，直至位移值恢复正常后，方可继续摊铺施工。

3.4 温度传递阻隔

为有效预防和控制沥青摊铺施工高温对钢箱梁变形的影响，采取温度传递阻隔也是一种积极有限的措施。在本工程大跨度钢箱梁沥青同步摊铺施工中，通过在钢箱梁上设置了防水材料，有效阻隔了高温沥青铺装料的温度向钢箱梁传递，同时通过在沥青混合料配合比中引进采用温拌剂这种外加剂，或者改性沥青类新材料，成功降低了沥青摊铺温度，有效降低了钢箱梁受高温沥青混合料摊铺施工的影响。

4 创新点

4.1 基于热传导理论的两幅同温同向同步沥青摊铺施工方法

根据热传导理论，桥面沥青铺装结构在自然环境中，桥面受到大气辐射影响，相互之间存在热交换现象发生。另外，钢箱梁结构与桥面结构组合等内部因素也存在着相互制约现象。因此，控制温度变化同步，由钢梁一侧的左右两幅同时开始基层沥青的施工作业，并采取对称的方式、相同的速率、同步施工。确保钢箱梁桥面高温沥青摊铺产生的温度荷载对钢箱梁的应力应变影响同步与均布。

4.2 基于ABAQUS热耦合计算选用最优铺装层的设计方法

利用ABAQUS软件进行热耦合计算，选用最优结构铺装层，基层沥青需要选用以下3种铺装设计的任意一种：①常温环氧沥青；②高粘改性沥青材料；③采用轻型混凝土加钢筋网、剪力件铺装底层上层采用SMA13沥青混合料。采用该3种材料的优势在于：①使用常温环氧沥青、改性沥青材料或轻型混凝土隔热层目的用于降低沥青混合料摊铺温度，即降低对钢箱梁结构的温度变化影响。②采用环氧、高粘、轻型混凝土加钢筋网剪力件保证铺装层有利于铺装材料与钢板间协调变形，有效阻止铺装层的推移开裂。

4.3 基于热成像法的温度、位移实时监控及测点布置方案

基于热成像法对钢箱梁结构内温度变化情况及钢箱梁结构应力应变情况进行监控量测，通过对检测数据的统计分析，及时掌握钢箱梁温差及其变形量变化情况，必要时，需要采取暂停或减缓摊铺施工措施，确保钢箱梁温度与形变保持稳定状态，直至完成基层沥青摊铺。

5 结束语

本文主要结合工程施工，通过研究分析在高温沥青混合料摊铺过程中钢箱梁桥面的温度场情况、钢结构变形情况及钢结构应力应变的变化情况，进行提前预防并采取有效措施控制高温沥青铺装施工时产生的温度荷载。主要采取科学的方法进行理论模型模拟加数据分析，了解掌握了钢箱梁桥面沥青混合料摊铺施工期间钢结构桥面内部的温度产生、传递等变动规律；了解掌握钢箱梁桥面因温度变化而产生应力应变及对钢箱梁支座产生的受力、位移等变化规律；并总结提出一套切实可行的预防控制措施，有效防控钢箱梁桥面高温沥青摊铺施工产生过高温度造成对钢箱梁支座局部破坏的可能性与严重性，确保钢箱梁桥面铺装施工质量与安全和桥梁结构安全。

①通过本工程大跨度钢箱梁沥青桥面同步摊铺施工，采取了在钢箱梁上设置防水材料，有效实现了阻隔高温沥青摊铺料在施工过程中向钢箱梁表面进行温度传递。同时，在沥青混合料配合比中引进采用温拌剂这种外加剂，或者改性沥青类新材料，成功降低了沥青摊铺温度，有效降低了钢箱梁受高温沥青混合料摊铺施工的影响。

②在本工程钢箱梁桥面沥青料铺装摊铺施工中，制定了有效的钢箱梁温度场监控方案。主要采用红外温枪+布设热电偶等监测技术进行钢箱梁温度变化及温度荷载情况测控，实测温差或温度荷载达到或超过设定参数时，停止或减缓沥青摊铺施工；同时，采用全站仪+全站仪反光片对钢箱梁梁体支座变形情况进行定期监控测量，一旦发现钢箱梁梁体支座的实际位移量达到设计最大值时，立即停止或减缓摊铺施工。

③经过试验得出，在钢梁摊铺温度温度140℃时，既能保证沥青摊铺质量，又能降低钢梁摊铺初始温度。保证钢梁温度变形不至过大，因此，加入温拌剂（SMC）使常规沥青摊铺温度降低20℃，同时，可使道路提前成型，有利于道路提前通车，节约工期约20%，以沥青摊铺20天计算可节约工期4天。因此，以长青桥为例节约人工+机械费用+管理费-温拌剂费用约为1.5万元。同时，因摊铺为两侧同时进行，因此，节约工期50%，算可节约工期8天，节约管理费43余万元。与传统施工技术相比，因单侧摊铺，严重者可造成支座剪力螺栓断裂，导致钢箱梁支座损坏而造成损失极大。若使用同步沥青摊铺技术，则可省去后期每个支座剪力螺栓更换材料（每个支座约为1万元）、人工（更换一个支座需5人5天）、机械费用（采用同步顶升智能千斤顶进场费用2万元），预计总计可节约7.5万余元。

④本工程对以后类似工程的大跨度钢梁高温沥青摊铺提供了理论支撑和宝贵经验，具有广泛的应用前景及推广意义。