降溫形態(tài)改變對瀝青路面溫度應(yīng)力的影響分析

馬生成 黃 昊 張云峰

對溫度應(yīng)力研究的最理想的辦法是通過室內(nèi)試驗進行，因為在現(xiàn)場對瀝青路面的溫度應(yīng)力進行實測比較困難，而室內(nèi)試驗便于對溫度應(yīng)力的某一影響因素進行定性或者定量的分析。近年來，國內(nèi)外均對溫度應(yīng)力進行了很多的試驗研究[1，2]。但是在現(xiàn)實條件下，瀝青路面結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力受到眾多因素的影響，如果將這些因素一起考慮的話，則試驗設(shè)計較為繁瑣，試驗時間過長且成本巨大。因此，僅僅通過試驗研究也是無法完全分析清楚路面溫度應(yīng)力的變化情況與眾多因素之間的內(nèi)在關(guān)系。有鑒于此，目前國內(nèi)外大多通過建立數(shù)學(xué)模型來進行理論計算和分析上述問題。

1 路面結(jié)構(gòu)模型的有限元理論

1.1 基本原理[3]

根據(jù)有限元理論，將路面結(jié)構(gòu)離散成許多微小單元，溫度由初始溫度 T0變?yōu)?T，由于路面結(jié)構(gòu)受到了外在的約束或其內(nèi)部各微元間的約束，路面結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)變不能自由地發(fā)生，從而產(chǎn)生溫度應(yīng)力 σx，σy，σz和τxy，τyz，τzx，這種應(yīng)力又引起應(yīng)變，物體中的總應(yīng)變?yōu)?

其中，α為材料的線脹系數(shù);T0～T取該單元中各節(jié)點變溫的平均值，如式(2)所示:

其中，N為單元節(jié)點數(shù)。計算時，首先由沿路面結(jié)構(gòu)深度變化的溫度函數(shù)求出單元每一節(jié)點的變溫，再由上式求出該單元的變溫。

1.2 基本假設(shè)條件

1)路面各結(jié)構(gòu)層均為完全均勻和各向同性的連續(xù)體;2)溫度場沿橫向外部介質(zhì)傳遞的熱量忽略不計;3)溫度變化與路面行車方向無關(guān);4)路面各結(jié)構(gòu)層接觸良好，熱傳導(dǎo)連續(xù);5)基層底部視為絕熱邊界。

2 路面結(jié)構(gòu)有限元模型的建立

2.1 模型結(jié)構(gòu)的選取

對于三維模型的尺寸，各種文獻也有不同的數(shù)值，綜合分析不同文獻的取值合理性，選取沿路向(X軸)為6 m，橫路向(Y軸)為4.32 m，土基(Z軸)厚為5 m。根據(jù)江蘇省蘇北地區(qū)某高速公路典型路面結(jié)構(gòu)，選取面層為細粒式瀝青混凝土(4 cm)+中粒式瀝青混凝土(6 cm)+粗粒式瀝青混凝土(8 cm)，基層為38 cm厚水泥穩(wěn)定碎石，底基層為20 cm厚二灰土，作為數(shù)值模擬對象。

2.2 材料熱工參數(shù)

在進行瞬態(tài)溫度場分析時，所涉及的熱工參數(shù)主要包括:導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、密度、對流熱交換系數(shù)、輻射率等。雖然不同級配瀝青混合料在不同溫度下的熱工參數(shù)也不同，但其相差甚小，因此計算時一般取為常數(shù)，如表1所示。

表1 計算溫度場時的路面材料熱工參數(shù)

在路表處生成表面效應(yīng)單元Surf153，施加對流和輻射邊界條件后所建立有限元分析模型。

3 降溫形態(tài)的改變對瀝青路面結(jié)構(gòu)的影響

3.1 降溫路徑的改變對瀝青路面溫度應(yīng)力的影響

根據(jù)江蘇省蘇北某地在秋冬季節(jié)的降溫情況，選取如下不同典型連續(xù)降溫條件:氣候條件為江蘇省蘇北地區(qū)冬季典型連續(xù)降溫氣候條件。

計算時取瀝青面層溫縮系數(shù)為4×10-5℃，基層溫縮系數(shù)為0.8×10-5℃，上述不同降溫形態(tài)時的瀝青路面溫度應(yīng)力的變化情況見表2。

根據(jù)表2可以得出以下結(jié)論:1)降溫路徑不同，則各結(jié)構(gòu)層的最大溫度應(yīng)力不同。2)三種降溫形態(tài)中，盡管溫度下降的幅度相同，但下降的路徑不一。其中在降溫形態(tài)3時，氣溫在前8 h內(nèi)就下降了16℃左右，降溫速率較快、幅度較大，由于溫度的持續(xù)下降，之前過快累積的應(yīng)力不能得到很好的松弛，因此瀝青路面各層相應(yīng)的溫度應(yīng)力也較其他兩種情況大，可見降溫速率對溫度應(yīng)力的影響較大。3)僅考慮溫度變化對瀝青路面結(jié)構(gòu)的影響時，三種降溫形態(tài)下基層和面層的拉應(yīng)力均沒有達到材料的劈裂強度，一般不會開裂。

表2 不同降溫形態(tài)下各結(jié)構(gòu)層拉應(yīng)力 MPa

3.2 降溫速率的改變對瀝青路面溫度應(yīng)力的影響

不同的降溫速率對瀝青路面各層結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力的影響較大，瀝青路面溫度最大降幅為每小時下降5℃～7℃，計算時取極限降溫速率為5℃/h。為便于比較，選取三種典型降溫的降溫形態(tài)，降溫形態(tài)采取直線下降方式，如圖1所示。

根據(jù)不同的降溫速率，計算瀝青路面各層的拉應(yīng)力(如表3所示)。

表3 不同降溫速率下瀝青路面各層的拉應(yīng)力 MPa

根據(jù)表3可以看出:1)降溫速率不同，瀝青路面各層的拉應(yīng)力也不同。同樣降溫幅度情況下，降溫速率越快，則路面各層的拉應(yīng)力也越大。2)氣溫變化為降溫形態(tài)4對應(yīng)的基層底面溫度應(yīng)力僅比降溫形態(tài)6對應(yīng)的基礎(chǔ)底面應(yīng)力大0.004 MPa，可見大氣溫度降溫速率的變化對基層底面的溫度應(yīng)力幾乎沒有影響。3)瀝青路面在降溫形態(tài)4時，瀝青面層頂面由于直接受到降溫的影響，溫度應(yīng)力較大，已經(jīng)和材料的劈裂強度相等，面層頂面將產(chǎn)生開裂。

3.3 降溫幅度的改變對瀝青路面溫度應(yīng)力的影響

降溫幅度的改變對瀝青路面溫度應(yīng)力有著重要的影響，并且溫度下降幅度越大，溫度應(yīng)力也越大。經(jīng)查閱相關(guān)資料，蘇北地區(qū)極限溫度可達-23℃(降溫形態(tài)7)，降溫路徑同降溫形態(tài)1，在計算時僅考慮降溫形態(tài)7和降溫形態(tài)1對比。

降溫幅度改變時瀝青路面各層拉應(yīng)力見表4。

表4 降溫幅度改變時瀝青路面各層的拉應(yīng)力 MPa

根據(jù)表4可以看出:1)降溫幅度的改變對瀝青路面各層的溫度應(yīng)力影響較大，降溫幅度越大，則相應(yīng)產(chǎn)生的溫度應(yīng)力也越大。2)降溫形態(tài)7的極限溫度為-23℃，僅比降溫形態(tài)1的極限溫度低3℃，但瀝青面層頂面的最大拉應(yīng)力增加了0.23 MPa，已經(jīng)非常接近面層頂面的劈裂強度，容易產(chǎn)生開裂。

[1] 王哲人，白金勛.瀝青面層低溫縮裂的松弛理論分析[M].北京:人民交通出版社，1991.

[2] 張登良.瀝青路面低溫抗裂性能的研究[M].北京:人民交通出版社，1991.

[3] 鄭金陽.半剛性基層瀝青路面施工過程力學(xué)分析與施工時機研究[D].南京:解放軍理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.

[4] 楊學(xué)良，劉伯瑩.瀝青路面溫度場與結(jié)構(gòu)耦合的有限元分析[J].公路交通科技，2006(11):1-4.