季冻区钢-UHPC桥面铺装结构温度与大气温度回归分析

Regression Analysis of Temperature and Atmospheric Temperature for Steel-UHPC Bridge Deck Pavement Structure in Seasonally Frozen Regions

摘要: 为探究西北季冻区在冬季降温和夏季升温阶段对钢-UHPC桥面铺装结构温度与大气气温的对应关系，本文结合季冻区气候特性，首先通过专业气象软件Meteonorm，对季冻区典型气候变化规律进行分析，研究表明，夏冬两季不仅月温差大，而且日温差也较大，是发生钢桥面铺装层劣化的活跃季节；夏季风速较大为2.94 m/s，冬季风速较小为1.14 m/s，风速变化对钢桥面铺装结构温度变化是有利的；降雨量最大发生在夏季8月份，最小在冬季12月份。然后通过多功能温度箱试验对夏冬两季降温和升温阶段的大气温度与钢-UHPC桥面铺装结构温度进行回归分析，研究表明，组合结构自上而下沿厚度方向对气温有削弱作用，并拟合出了大气温度与冬季降温阶段钢-UHPC桥面铺装结构对应关系的回归方程和大气温度与夏季升温阶段钢-UHPC桥面铺装结构对应关系的回归方程，在已知大气气温条件下，通过拟合的回归方程可较好的计算和预估季冻区冬季降温和夏季升温钢-UHPC桥面铺装结构各层间的温度。

Abstract: To explore the corresponding relationship between the temperature of steel UHPC bridge deck pavement structure and atmospheric temperature during the winter cooling and summer heating stages in the northwest seasonally frozen regions, this paper combines the climate characteristics of the seasonally frozen regions and first analyzes the typical climate change patterns in the seasonally frozen regions using professional meteorological software Meteonorm. The study shows that summer and winter not only have large monthly temperature differences, but also large daily temperature differences, which are active seasons for the deterioration of steel bridge deck pavement layer; In summer, the wind speed is relatively high at 2.94 m/s, while in winter, the wind speed is relatively low at 1.14 m/s. The change in wind speed is beneficial for the temperature change of the steel bridge deck pavement structure. The maximum rainfall occurs in August in summer and the minimum in December in winter. Then, through a multifunctional temperature box test, regression analysis was conducted on the atmospheric temperature during the cooling and heating stages in summer and winter and the temperature of the steel UHPC bridge deck pavement structure. The study showed that the composite structure had a weakening effect on temperature along the thickness direction from top to bottom, and a regression equation was fitted for the relationship between atmospheric temperature and the steel UHPC bridge deck pavement structure during the winter cooling stage, as well as the relationship between atmospheric temperature and the steel UHPC bridge deck pavement structure during the summer heating stage. Under known atmospheric temperature conditions, the fitted regression equation can effectively calculate and estimate the temperature between each layer of the steel UHPC bridge deck pavement structure during the winter cooling and summer heating stages in theseasonally frozen regions.

1. 引言

国内外学者对以沥青混凝土作为铺装层的钢桥面结构温度研究较为系统 [1] [2] [3] ，如苏宇 [4] 等根据海南高速公路沥青路面路表温度变化特点及规律，发现路表温度与大气温度有很好的相关性；张丽娟 [5] 等采用预埋温度传感器的方法对旧水泥路面加铺沥青层结构温度场进行实测，发现一天内的温度变化趋势是先降后升再降，升温速率明显大于降温速率；范倩 [6] 等研究了沥青混凝土路面表层和超薄磨耗层钢桥面的温度变化情况，研究表明二者的温度变化与大气温度呈周期性变化，钢桥面超薄层表面出现最高温度时刻较沥青路面有所延迟。叶文亚 [7] 等通过实际工程案例，研究了剪切强度对温度与钢桥面铺装结构中UHPC和沥青层黏结性能关系，表明温度从150℃提升160℃时，平均剪切强度增幅24.6%；蔡扬发 [8] 和夏杨嘉玲 [9] 通过相关试验研究了常温和高温条件下黏结层的性能。

上述研究主要集中于沥青混凝土作为铺装层路面温度，虽然涉及钢-UHPC桥面铺装温度研究，但以高温为主，对于季冻区钢-UHPC桥面铺装结构温度与大气气温间的回归分析研究较少。由于各材料属性差异较大，钢桥面受温度影响十分明显，尤其在季冻区气候条件下，气温差异巨大，因此对钢桥面各结构层温度测定显得十分必要，但传统的测定方法以现场实测为主，所得数据有限且费时费力，占用较大的存储空间 [10] 。因此，为提前预知钢桥面结构层内部温度，防止剧烈的温度变化对结构内部造成损坏，需充分建立起季冻区大气气温与钢-UHPC桥面铺装结构层内部温度的回归方程，本研究对季冻区气候变化规律分析研究后，设计相应试验探究季冻区大气气温与钢-UHPC桥面铺装结构层内部温度的对应关系，旨在预测在不利温度下钢桥面结构层的内部温度，避免不必要的经济损失。

2. 季冻区典型气候变化规律

2.1. 季冻区气候条件概况

季冻区主要分布在我国的北方地区，占我国陆地面积的一半以上。以西北季冻区为例，其气候特点为冬季寒冷漫长，夏季炎热干燥，气候条件复杂多变，不仅月温差大而且日温差也很大，反复的升温、降温、冰冻以及融化对该地区钢桥面铺装的层间连接产生不利影响，降低钢桥面的使用寿命。

2.2. 季冻区典型日气温变化规律

按四季的划分，通过Meteonorm获取的资料对季冻区典型日气温变化规律进行研究，如图1所示，不同季节的代表天数，随季节变化，春秋两季的日气温变化曲线基本一致，夏季和冬季的日气温和太阳辐射差异较大，夏季温度最高，日太阳辐射总量也最大，为26.51 MJ/m²，冬季温度最低，日太阳辐射总量为11.79 MJ/m²。

冬季1月12日 春季4月25日夏季7月21日 秋季10月23日

Figure 1. Daily temperature and solar radiation representing weather in each season

图1. 各季节代表天气的日温度和日太阳辐射

2.3. 季冻区典型月气温变化规律

表1为各月份相关气温数据，从中可知，季冻区在夏季和冬季时相差最大，春季和秋季差异较小。对该地区全年365天每小时气温数据进行处理，绘成如图2，从中可知典型年份全天的最高气温变化曲线走向与最低气温变化曲线走向大体一致，呈现先上升后下降的趋势，全年的最高气温主要集中在151~243天，即夏季，全年最低气温主要在0~59天以及334~365天，即冬季。图3为全年每天平均气温变化曲线划分不同的温度区间，从下至上依次为T₁ [−20, −10]，T₂ [−10, 0]，T₃ [0, 10]，T₄ [10, 20]，T₅ [20, 30]，T₆ [30, 31]，对各个温度区间的天数进行统计，发现气温主要集中在[−10, 30]，共有346天。

Table 1. Maximum temperature, minimum temperature, average temperature, and maximum temperature difference in each month (˚C)

表1. 各月份的最高气温、最低气温、平均气温和最大温差(℃)

Figure 2. The trend of daily changes in maximum and minimum temperatures throughout the year

图2. 全年每天最高气温和最低气温的变化趋势

Figure 3. The trend of daily average temperature changes throughout the year

图3. 全年每天平均气温变化趋势

2.4. 季冻区典型月平均风速变化规律

风速对季冻区的温度变化有很大的影响，冬季与夏季对钢桥面板的影响也不尽相同。风速越大，加速了周围的热气流动，对温度的减弱效果越明显，冬季较大的风速使得钢桥面的温度更低，损害钢桥面铺装层间的黏结性能；夏季高温严重损害层间的黏结性，再加之反复的行车荷载作用下，层间易发生错位、脱离的风险，此时风速越大对钢桥面板反而有利。图4为典型月平均风速变化，夏季风速最大，为2.94 m/s；冬季风速最小，为1.14 m/s，综合来看该地区的风速变化对钢桥面铺装层间的温度变化不会产生较大影响，大体上是有利的。

Figure 4. Monthly average wind speed variation curve for typical years

图4. 典型年份月平均风速变化曲线

2.5. 季冻区典型月平均降雨量变化规律

研究表明长期浸水作用下水分可扩散到沥青–集料界面，导致二者之间的黏附力下降 [11] 。图5为典型月平均降雨量变化，可知月平均降雨量变化趋势先上升后下降，最大降雨量发生在夏季8月份，为86 mm，最小降雨量发生在冬季12月份，为2 mm。

Figure 5. Typical annual monthly rainfall variation curve

图5. 典型年份月平均降雨量变化曲线

3. 季冻区气温与钢-UHPC桥面铺装组合结构温度回归分析

3.1. 方案设计

为获得夏冬两季在升温和降温阶段大气温度和钢桥面结构的温度间对应关系，本研究制作了尺寸大小为300 mm × 300 mm × 106 mm的组合试块，分别在试块的沥青混凝土层表面(表面约10 mm处)、沥青混凝土层底面、UHPC表面、UHPC中面、UHPC底面、钢板表面和钢板底面布设温度传感器，传感器布置如图6所示，通过在多功能温度箱试验模拟最典型冬季1月12日和夏季7月21日的两天大气温度在组合结构的温度变化。

Figure 6. Schematic diagram of temperature sensor layout

图6. 温度传感器布置示意图(单位：mm)

3.2. 试验结果及分析

3.2.1. 冬季降温阶段大气温度与钢-UHPC桥面铺装结构温度回归分析

将收集到的试验数据绘成图7，由图可知：(1) 钢桥面铺装结构的不同层间的变化规律和大气气温呈现出相似的周期性变化，具体按正弦函数变化；(2) 由于各结构层厚度不一样，最高温度和最低温度出现的时间有所滞后，最下层的温度峰值比最上层滞后约1 h。图8为不同层间厚度的温度与大气气温差值，从图中可以看出沥青混凝土层表面与气温差异最大，其余位置的温度与气温的差异逐渐变小，总体来说，铺装结构对气温有削弱作用。

Figure 7. Temperature variation curve of winter cooling combined pavement structure

图7. 冬季降温组合结构温度变化曲线

Figure 8. The difference between winter cooling combined pavement structure and atmospheric temperature

图8. 冬季降温组合结构温度与大气温度差值

通过试验收集的数据，以大气温度作为自变量，各铺装层温度作为因变量进行拟合，由于沥青混凝土表面裸露在大气环境中，与气温差异较大，对其他结构层拟合不利，因此为探究冬季降温阶段气温和钢-UHPC桥面铺装组合结构温度之间的回归关系，本文将剔除沥青混凝土层表面的温度数据，如图9所示。

从拟合结果来看，除过沥青混凝土层表面温度与气温回归程度(R² = 0.86336)较差外，其余位置温度与气温回归程度较好，相关系数R²均大于0.96，回归形式以三次函数为主。

Figure 9. Regression equation between atmospheric temperature during winter cooling stage and temperature of steel-UHPC bridge deck pavement composite structure

图9. 冬季降温阶段大气温度与钢-UHPC桥面铺装组合结构温度回归方程

3.2.2. 夏季升温阶段大气温度与钢-UHPC桥面铺装结构温度回归分析

用上述同样的方式对夏季气温进行模拟，将相关数据绘制成图10，从图中可以看出以下规律：(1) 钢桥面组合铺装层结构不同厚度的温度变化与大气温度变化基本一致，均按照正弦函数呈周期性变化；(2) 由于沥青混合料对光的吸收能力较强，所以沥青混凝土层表面温度高于大气温度至少21.9℃左右，随着厚度的增加，结构层内部温度相较于气温有所降低。从图11中可以看到，沥青混凝土层表面与气温差异较大，温度高于气温，在下午3点左右最为明显，其余结构层温度与气温的差异相对较小，基本低于0℃以下，说明沿着铺装层厚度方向，温度逐渐减弱。

沥青混凝土层表面温度虽然单独与大气温度回归程度较好，但与其他层厚温度差异较大，本文尝试将沥青混凝土层表面与其他层厚温度与大气气温进行综合回归，但回归结果更偏相于沥青混凝土层表面，

Figure 10. Temperature variation curve of summer composite pavement structure

图10. 夏季升温组合结构温度变化曲线

Figure 11. The difference between summer combined pavement structure and atmospheric temperature

图11. 夏季升温组合结构温度与大气温度差值

Figure 12. Regression equation between atmospheric temperature during summer warming phase and temperature of steel-UHPC bridge deck pavement composite structure

图12. 夏季升温阶段大气温度与钢-UHPC桥面铺装组合结构温度回归方程

对其余层厚不利，因此为了探究夏季升温时大气气温和钢-UHPC桥面铺装组合结构温度之间的回归关系，本文将剔除沥青混凝土层表面的温度数据，以大气温度作为自变量，各铺装层温度作为因变量进行回归，回归结果如图12所示。

从图12回归结果来看，剔除沥青混凝土层表面后的其余结构层温度和大气温度回归程度较好，相关系数R²均大于0.93，函数形式以三次函数为主，得到夏季升温大气温度与钢-UHPC桥面铺装结构层温度的综合性回归方程。

4. 结论

本文结合季冻区的气候特点，通过Meteonorm获得了季冻区典型气候变化规律，通过多功能温度箱试验，分别得到了冬季降温大气温度与钢-UHPC桥面铺装组合结构温度的回归关系、夏季升温大气温度与钢-UHPC桥面铺装组合结构温度的回归关系。主要得到以下结论：

(1) 季冻区夏冬两季日温差和月温差差异较大，对钢-UHPC桥面铺装组合结构损害更大；风速和降雨变化对钢-UHPC桥面组合结构影响较小，其中夏季和冬季的风速反而有利于钢桥面结构温度的散失。

(2) 组合结构自上而下沿厚度方向对气温有削弱作用，各结构层厚度不同，最高温度与最低温度出现的时间存在滞后效应，最下层温度峰值比最上层滞后约1 h。

(3) 冬季降温大气温度与钢-UHPC桥面铺装结构层温度的综合性回归方程为，R² = 0.977；夏季升温大气温度与钢-UHPC桥面铺装结构层温度的综合性回归方程为 $y=56.54911-4.20981x+0.14691x^2-0.00132x^3$ ，R²=0.934，回归程度较好，综合性回归方程形式为三次函数。已知大气气温，通过综合性回归方程可较好地计算和预测季冻区冬季和夏季的钢-UHPC桥面铺装组合结构各层间的温度。