暴雨溫度驟降下瀝青路面有限元分析

張?jiān)讫垼?婕，張曉陽(yáng)，沈文峰

(1.湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,湘潭 411201;2. 福建省泉州市市政工程管理處，泉州 362000)

?

暴雨溫度驟降下瀝青路面有限元分析

張?jiān)讫?，丁 婕1，張曉陽(yáng)2，沈文峰2

(1.湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,湘潭 411201;2. 福建省泉州市市政工程管理處，泉州 362000)

基于熱彈性層狀理論，采用ANSYS建立瀝青路面三維有限元模型，對(duì)暴雨溫度驟降情況下瀝青路面溫度作用和荷載作用進(jìn)行耦合分析，研究該環(huán)境影響下瀝青路面力學(xué)響應(yīng)規(guī)律的變化，并將結(jié)果與高溫作用下瀝青路面響應(yīng)規(guī)律比較.結(jié)果表明瀝青路面結(jié)構(gòu)在受到暴雨作用溫度驟降情況下，瀝青路面豎向變形值、豎向壓應(yīng)力變?。粸r青路面路表由壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力，并使瀝青層層底拉應(yīng)力減?。槐┯牦E降使瀝青路面最大剪應(yīng)力增大.

瀝青路面；ANSYS；溫度荷載耦合；力學(xué)響應(yīng)規(guī)律變化

0 序 言

瀝青路面結(jié)構(gòu)在溫度的作用下的開(kāi)裂主要分為兩類：溫度疲勞開(kāi)裂，路面受到反復(fù)高低溫作用下的疲勞開(kāi)裂；溫縮開(kāi)裂，在天氣驟然變化時(shí)，瀝青路面結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)急劇變化引起的開(kāi)裂[1].在夏季瀝青路面溫度較高，在第五章溫度場(chǎng)分析中可知，泉州市區(qū)瀝青路面在所示氣溫下可達(dá)50 ℃，氣溫升高時(shí)，瀝青路面路表溫度甚至高達(dá)60 ℃以上.泉州市夏季高溫多雨，在夏季驟降暴雨條件下，瀝青路面層表面溫度在短時(shí)間內(nèi)降低20～30 ℃左右[2].因此有必要研究在驟然降溫的條件下瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)規(guī)律的變化.

1 水溫作用對(duì)混合料彈性模量影響研究

瀝青混合料靜態(tài)模量是瀝青混合料的重要材料性能參數(shù)，同時(shí)也是瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不可或缺的材料參數(shù).研究在水和溫度作用下瀝青混合料靜態(tài)模量變化情況，有助于研究水和溫度對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)層材料的影響以及結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)變化規(guī)律，為數(shù)值分析提供參考數(shù)據(jù).

本次試驗(yàn)按照《瀝青以及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中的T0704-2011瀝青混合料試件制作(靜壓法)來(lái)制作試驗(yàn)所需的尺寸為直徑100 mm±2.0 mm，高度為100 mm±2.0 mm的圓柱體瀝青混合料試件[3].并對(duì)混合料試件做以下處理：依據(jù)試驗(yàn)溫度15～40 ℃的不同將試件分為六組，每5 ℃為一組.在每一組中分別浸泡2～12 h，每2 h做一組.然后進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn).由于篇幅有限，試驗(yàn)數(shù)據(jù)較多，靜態(tài)回彈模量的試驗(yàn)結(jié)果以某一試驗(yàn)結(jié)果為例，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，繪制溫度、水、彈性模量的關(guān)系圖如圖1所示.

圖1 相同溫度下，浸泡時(shí)間與彈性模量關(guān)系圖

由試驗(yàn)結(jié)果可知，在相同溫度條件下，浸泡時(shí)間與彈性模量成冪函數(shù)關(guān)系，y=ax-b，式中：a,b是與試驗(yàn)相關(guān)系數(shù)；在浸泡8 h之前彈性模量的減小速率較大，在8 h后彈性模量的減小趨勢(shì)變小.在水對(duì)瀝青膜的剝落過(guò)程中，前期的剝落速率較快，在剝落穩(wěn)定后速率減小，彈性模量損失減小至趨于定值，完成剝落過(guò)程.

在相同的浸泡時(shí)間條件下，溫度與彈性模量成指數(shù)關(guān)系，y=ax-bx式中：a,b是與試驗(yàn)相關(guān)系數(shù)；在溫度達(dá)到30 ℃以后，彈性模量的減小趨勢(shì)明顯，溫度越高彈性模量損失越大,如圖2所示.

圖2 相同浸泡時(shí)間下，溫度與彈性模量關(guān)系圖

2 瀝青路面結(jié)構(gòu)暴雨降溫下有限元分析

2.1 計(jì)算采用的理論

瀝青路面在力學(xué)性質(zhì)上屬于非線性彈-黏-塑性體.目前瀝青混凝土路面溫度應(yīng)力的研究主要有一維粘彈性理論體系和熱彈性層狀體系理論[4].考慮到行駛車輪作用的瞬時(shí)性，在路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的黏-塑性變形量很小，所以對(duì)于厚度較大，強(qiáng)度較高的高等級(jí)路面，將其視為線彈性，并應(yīng)用線彈性層狀體系理論進(jìn)行分析計(jì)算.

基于熱線彈性層狀體系理論進(jìn)行計(jì)算對(duì)有限元分析模型做如下基本假定：(1)瀝青層各結(jié)構(gòu)層為均勻、連續(xù)的各向同性的熱彈性體，滿足小變形條件；(2)不考慮溫度作用下對(duì)溫度收縮系數(shù)和泊松比的影響，也不隨加載時(shí)間變化發(fā)生影響，將溫縮系數(shù)與泊松比視為常數(shù)；(3)忽略接觸熱阻，路面各層材料之間結(jié)合緊密，忽略層間溫度熱阻，熱流連續(xù)；(4)忽略熱傳導(dǎo)與溫度應(yīng)力之間的耦合效應(yīng).

2.2 計(jì)算方法

在進(jìn)行熱荷載作用下的道路結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力分析時(shí)，ANSYS分析方法可以分為直接耦合法分析和間接耦合法分析[5].間接耦合法是按照順序?qū)ο嚓P(guān)耦合場(chǎng)進(jìn)行兩次或更多次分析.將第一次場(chǎng)分析的結(jié)果作為荷載施加在第二次分析中，以此實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)的耦合.直接耦合場(chǎng)分析采用的單元包含多個(gè)必須的自由度，建立耦合場(chǎng)矩陣方程，通過(guò)求解該方程對(duì)結(jié)果進(jìn)行一次計(jì)算.當(dāng)有多個(gè)物理場(chǎng)，并且物理場(chǎng)之間有相應(yīng)依賴關(guān)系時(shí)，適用直接耦合法進(jìn)行求解[6].間接耦合法只考慮單場(chǎng)單元，不用進(jìn)行多次迭代計(jì)算，計(jì)算簡(jiǎn)單.而直接耦合法每節(jié)點(diǎn)自由度較多，矩陣方程龐大，耗費(fèi)機(jī)時(shí)多.綜上原因，本文采用間接耦合法分析瀝青路面結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力.

2.3 材料參數(shù)、邊界條件

研究夏季高溫天氣下突然刮風(fēng)下雨，溫度驟降情況下瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的變化規(guī)律.因此本文假設(shè)從起風(fēng)到雨停歷時(shí)6 h，起始時(shí)間為中午14時(shí).風(fēng)速隨時(shí)間線性變化，對(duì)流換熱系數(shù)也隨時(shí)間變化，根據(jù)時(shí)間步長(zhǎng)風(fēng)速以及對(duì)流換熱系數(shù)隨時(shí)間變化如表1所示.

表1 風(fēng)速、對(duì)流系數(shù)隨時(shí)間變化

為了方便計(jì)算，本文不考慮雨水對(duì)路面溫度場(chǎng)的影響.根據(jù)文獻(xiàn)[7]本文采用降溫速度為5 ℃/h.近地空氣溫度如表3所示.

表2 近地空氣溫

基于試驗(yàn)結(jié)果，考慮水作用對(duì)瀝青混合料彈性模量的影響，對(duì)各結(jié)構(gòu)層的物理參數(shù)取值如表2所示.

表3 瀝青路面結(jié)構(gòu)物理參數(shù)表

2.4 計(jì)算結(jié)果及分析

將單獨(dú)行車荷載視為荷載工況①，高溫荷載耦合作用視為荷載工況②，暴雨驟然降溫視為荷載工況③，三種荷載工況的計(jì)算結(jié)果如下：

2.4.1 豎向變形值計(jì)算結(jié)果

圖3 豎向變形值值沿深度分布

由表3、圖3可知，在暴雨溫度驟降情況下，瀝青路面結(jié)構(gòu)的豎向變形值最大值出現(xiàn)在AC-20C層底，距路表100 mm處，最大值為63.53(0.01 mm), 100 mm深度以后，豎向變形值逐漸減??；在高溫作用下的最大值距路表100 mm處，最大值為65.87(0.01 mm)；表明在暴雨溫度驟降情況下豎向變形值變小.

2.4.2 最大拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖4 最大拉應(yīng)力沿深度分布規(guī)律

由圖4可知，在暴雨溫度驟降情況下最大拉應(yīng)力在AC-13C層內(nèi)先減小后增大，在AC-20C層內(nèi)最大拉應(yīng)力一直減??；在ATB-25層內(nèi)最大拉應(yīng)力先減小后增大，在瀝青層層底拉應(yīng)力達(dá)到最大，其最大值為86.98 kPa.在高溫作用下瀝青路面路表為壓應(yīng)力，而瀝青層層底值最大，最大值為89.46 kPa.表明在暴雨溫度驟降情況下瀝青層層底最大值變小，而路表變?yōu)槔瓚?yīng)力.

2.4.3 豎向壓應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖5 豎向壓應(yīng)力沿深度分布

由圖5可知，在暴雨溫度驟降情況下的豎向壓應(yīng)力在3 cm內(nèi)逐漸減小，3 cm后逐漸增大，最大值在ATB-25層內(nèi)距路表14 cm處，最大值為159.59 kPa，14 cm后壓應(yīng)力逐漸減??；在高溫作用下瀝青路面最大壓應(yīng)力在距路表14 cm處，最大值為161.9 kPa.表明在暴雨溫度驟降情況下最大壓應(yīng)力變小.

2.4.4 剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

由圖6可知，在暴雨溫度驟降情況下最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在距路表6 cm處，即AC-20C瀝青層層內(nèi)，最大值為143.73 kPa；在高溫作用下剪應(yīng)力在距路表6 cm處，最大值為139.4 kPa；表明在暴雨溫度驟降情況下最大剪應(yīng)力增大.

圖6 剪應(yīng)力沿深度分布圖

3 結(jié) 論

(1)在相同溫度條件下，浸泡時(shí)間與彈性模量成冪函數(shù)關(guān)系，y=ax-b，式中：a,b是與試驗(yàn)相關(guān)系數(shù)；在相同的浸泡時(shí)間條件下，溫度與彈性模量成指數(shù)關(guān)系y=ae-bx，式中：a，b是與試驗(yàn)相關(guān)系數(shù).

(2)在暴雨溫度驟降情況下，豎向變形值變化規(guī)律未變，但豎向變形值由65.87(0.01 mm)減小為63.53(0.01 mm).

(3)在高溫作用下路表為壓應(yīng)力，在暴雨溫度驟降情況下路表變?yōu)槔瓚?yīng)力；瀝青層層底最大拉應(yīng)力值由89.46 kPa減小為86.98 kPa；

(4)在暴雨溫度驟降情況下，最大壓應(yīng)力變化規(guī)律未變，但最大壓應(yīng)力值由161.9 kPa減小為159.59 kPa；

(5)在暴雨溫度驟降情況下最大剪應(yīng)力，剪應(yīng)力變化規(guī)律未變，但在暴雨溫度驟降情況下最大剪應(yīng)力值由139.4 kPa增大為143.73 kPa.

[1] 劉繼忠.云南省高海拔地區(qū)瀝青路面溫度場(chǎng)及溫度應(yīng)力數(shù)值計(jì)算分析[D].重慶交通大學(xué),2009.

[2] 孫孝峰.驟然降溫下的瀝青路面溫度場(chǎng)變化[J]. 中南公路工程,2007,32(3)：113-115.

[3] 公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程[M].人民交通出版社,2011.

[4] 吳贛昌.半剛性基層路面溫度應(yīng)力分析[M].科學(xué)出版社,1995.

[5] 王桂茵.低溫狀態(tài)下瀝青路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變特性研究[D].長(zhǎng)安大學(xué)碩士論文,2011.

[6] 王國(guó)強(qiáng).實(shí)用工程數(shù)值模擬技術(shù)及其在ANSYS上的實(shí)踐[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，2000.

[7] 沙慶林.高等級(jí)公路半剛性基層瀝青路面[M].北京:人民交通出版社, 1999.

The Finite Element Analysis of Asphalt Pavement Under Rainstorm Temperature Dips

ZHANG Yun-long1,DING Jie1,ZHANG Xiao-yang2,SHEN Wen-feng2

(1.College of Civil Engineering，Hunan University of Science and Technology， Xiangtan 411201, China;2. Municipal Engineering Administration Department of Quanzhou ，Quanzhou 362000, China)

Based on the thermal elastic layered theory and using ANSYS to establish the three-dimensional finite element model of asphalt pavement, coupled analysis on the temperature of asphalt pavement and load effect caused by storm and temperature drop is done.The changes of asphalt pavement under the influence of the environment are studied, and the result is compared with high temperature response of asphalt pavement. The results show that when the asphalt pavement structure subjects to heavy rain which causes the sharpdrop of the temperature,the vertical deformation and vertical stress become smaller; asphalt road surface by the compressive stress becomes tensile stress; the bottom layers of asphalt become small;asphalt pavement maximum shear stress increases.

asphalt pavement;ANSYS;temperature load coupling;change of mechanical response

2014-05-26

福建省泉州市市政工程管理處項(xiàng)目(D11269);湖南科技大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目(S120010).

張?jiān)讫?1986-)，男，碩士研究生，研究方向：瀝青路面結(jié)構(gòu).

U416.217

A

1671-119X(2015)01-0086-04