大跨径钢箱梁桥桥面铺装层温度场分布与疲劳开裂耦合机制

一、引言

大跨径钢箱梁桥以其跨越能力大、结构轻盈等优点，在现代桥梁建设中得到广泛应用。然而，桥面铺装层作为桥梁直接承受车辆荷载的部分，其性能对行车舒适性和桥梁结构耐久性有着重要影响 。在实际运营中，桥面铺装层不仅承受车辆荷载的反复作用，还受到环境温度变化的影响。温度的升降会导致铺装层材料热胀冷缩，产生温度应力；同时，温度场的不均匀分布会加剧应力集中现象，加速铺装层疲劳开裂的进程 。温度场分布与疲劳开裂之间存在复杂的相互作用关系，深入研究两者的耦合机制，对于提高桥面铺装层的设计与维护水平具有重要意义。

二、大跨径钢箱梁桥桥面铺装层温度场分布特性

（一）影响温度场分布的因素

1.环境因素

环境温度、太阳辐射、风速、湿度等是影响桥面铺装层温度场分布的主要环境因素 。太阳辐射强度直接决定了铺装层吸收的热量，在夏季正午时分，强烈的太阳辐射可使铺装层表面温度急剧升高；环境温度的昼夜温差和季节变化，会导致铺装层内部产生温度梯度；风速和湿度则影响热量的散失速度，进而改变温度场分布 。

2.桥梁结构与铺装层材料特性

钢箱梁桥的结构形式、尺寸以及铺装层材料的热物理性能（如导热系数、比热容、热膨胀系数等）对温度场分布有显著影响 。钢箱梁的热传导速度快，会使铺装层与钢箱梁之间的温度传递迅速；而铺装层材料的导热系数越低，越能减缓热量传递，影响温度在铺装层内的分布 。

（二）温度场分布规律

1.时间分布规律

桥面铺装层温度在一天内呈现明显的周期性变化。清晨，随着环境温度上升，铺装层表面温度开始升高，由于热量传递存在延迟，铺装层内部温度变化相对滞后；中午时分，表面温度达到峰值，内部温度继续上升；傍晚后，环境温度下降，铺装层表面温度率先降低，内部热量逐渐向外界散发 。在季节变化上，夏季铺装层温度较高，温度梯度大；冬季温度较低，且昼夜温差对温度场的影响更为显著。

2.空间分布规律

在横桥向，桥面铺装层边缘由于散热条件较好，温度相对较低，而中部温度较高；在纵桥向，不同位置的温度分布与车辆荷载分布、阴影遮挡等因素有关 。此外，铺装层厚度方向上存在明显的温度梯度，表面温度变化剧烈，而底部温度相对稳定 。

三、大跨径钢箱梁桥桥面铺装层疲劳开裂影响因素

（一）车辆荷载因素

车辆的轴重、行驶速度、轮胎接地压力等直接影响桥面铺装层所承受的荷载大小和作用频率 。重载车辆的频繁通行会使铺装层承受较大的应力，加速疲劳损伤；车辆行驶速度的变化会导致荷载作用时间和频率改变，影响疲劳裂纹的扩展速率 。

（二）材料性能因素

铺装层材料的强度、弹性模量、疲劳性能等对疲劳开裂有重要影响 。材料的疲劳强度低，在相同荷载作用下更容易产生疲劳裂纹；弹性模量过大，会使材料在温度变化时产生较大的温度应力，增加疲劳开裂风险 。此外，材料的老化、损伤也会降低其疲劳性能。

（三）施工与养护因素

施工过程中，铺装层的压实度不足、层间黏结不良等缺陷，会成为疲劳裂纹的萌生点 。在运营阶段，养护不及时，如未能及时处理表面裂缝、修补坑槽，会使水分侵入铺装层内部，进一步恶化材料性能，加速疲劳开裂进程 。

四、大跨径钢箱梁桥桥面铺装层温度场分布与疲劳开裂耦合机制

（一）温度场对疲劳开裂的影响

1.材料性能劣化

温度变化会影响铺装层材料的力学性能。高温会使沥青混合料软化，弹性模量降低，材料的抗疲劳性能下降；低温则会使材料变脆，韧性降低，更容易产生开裂 。在温度反复变化过程中，材料内部结构发生损伤，疲劳寿命缩短 。

2.应力应变状态改变

温度场的不均匀分布会在铺装层内产生温度应力，与车辆荷载应力叠加，使铺装层的应力应变状态更加复杂 。在温度梯度较大的区域，如铺装层表面和层间界面，容易出现应力集中现象，这些部位成为疲劳裂纹的优先萌生位置 。温度应力的反复作用，会加速疲劳裂纹的扩展 。

（二）疲劳开裂对温度场分布的影响

疲劳裂纹的产生和扩展改变了铺装层的结构完整性，影响其热传导性能 。裂纹的存在增加了空气流通通道，使得热量传递路径发生变化，导致温度场分布更加不均匀 。同时，裂纹处容易积水，水的热容量和导热性与铺装层材料不同，进一步影响温度场分布，形成恶性循环，加剧铺装层的疲劳损伤 。

五、基于耦合机制的疲劳开裂防控策略

（一）优化铺装层材料与结构设计

在选择铺装层材料时，应优先考虑那些具备出色温度稳定性和抗疲劳性能的材料，例如高模量沥青混合料、改性沥青混合料等。通过优化铺装层的结构设计，可以合理地设定铺装层的厚度，并采用恰当的层间界面处理方式，以减少温度应力和荷载应力的集中现象。例如，可以采用多层复合结构，让每一层发挥其特定的功能，从而提升铺装层的整体性能。

（二）加强温度调控措施

在桥梁的设计阶段，就应当考虑采取有效的隔热措施或设置遮阳设施，以降低铺装层表面的温度。具体措施包括在钢箱梁的顶板上铺设隔热层，以减少热量向铺装层的传递；在桥面上设置遮阳棚，以降低太阳辐射对铺装层的影响。此外，通过智能温控系统，可以实时监测铺装层的温度场分布，并采取喷雾降温等措施来调节铺装层的温度，确保其在适宜的范围内。

（三）强化施工与养护管理

在施工过程中，必须严格控制施工质量，确保铺装层的压实度和层间黏结强度达到设计要求。在桥梁投入运营后，应建立一套完善的桥面铺装层监测体系，利用各种传感器实时监测铺装层的温度场分布、应力应变状态以及疲劳裂纹的发展情况。根据这些监测结果，可以及时采取相应的预防性养护措施，如灌缝、罩面等，以延缓疲劳开裂的进程，确保桥梁的安全和耐久性。

六、结论

大跨径钢箱梁桥桥面铺装层温度场分布与疲劳开裂之间存在密切的耦合关系。温度场的变化通过影响材料性能和应力应变状态，加速疲劳开裂；而疲劳开裂又会反过来影响温度场分布，进一步恶化铺装层的工作状态 。通过优化铺装层材料与结构设计、加强温度调控措施、强化施工与养护管理等基于耦合机制的防控策略，能够有效减缓疲劳开裂进程，提高桥面铺装层的耐久性 。

未来，随着桥梁建设技术的发展和对桥梁耐久性要求的提高，还需进一步深入研究温度场分布与疲劳开裂耦合机制的微观机理，结合先进的监测技术和材料技术，不断完善防控策略，为大跨径钢箱梁桥的长期安全运营提供更有力的保障 。

参考文献

[1]赵晨晨.大跨径连续钢箱梁桥高温摊铺下的结构受力研究[D].重庆交通大学,2022.DOI:10.27671/d.cnki.gcjtc.2022.000268.

[2] 韩 国 栋 . 大 跨 径 钢 箱 梁 桥 施 工 控 制 研 究 [D]. 山 东 交 通 学院,2021.DOI:10.27864/d.cnki.gsjtd.2021.000006.

[3]思晓龙.正交异性板钢箱梁桥温度应力场研究[D].内蒙古大学,2019.