有限元數(shù)值分析在計算瀝青路面溫度應力中的應用

丁 樂，馮浩雄 湖南城市學院，湖南 益陽 413000

1 前言

路面材料隨著溫度的升降而引起體積的收縮和膨脹，如果這些不均勻的脹縮由于某種約束而不能實現(xiàn)時，便產(chǎn)生了溫度應力，有可能使得路面結構出現(xiàn)損壞當溫度變化時，熱量以傳導，輻射和對流等三種方式傳遞到路面結構，從而形成了時空分布的溫度場，太陽輻射和氣溫等外部條件和材料本身的熱學特征參數(shù)都對其產(chǎn)生影響，所以溫度場的計算是個高度非線性問題。

2 瀝青路面溫度場有限元模型構建

在用限元法該模型建立時，把路面結構看做多層彈性層狀體系，并假設各層均勻，連續(xù)，各層之間接觸緊密，且忽略結構內(nèi)部熱阻和熱源的存在。以典型的半剛性基層瀝青路面為例，結構模型分五層考慮，選用不同熱工性能的混合料，溫度梯度方向為路面結構深度方向，為了與路面結構耦合，選用二維平面模型。路面橫斷面方向為X 方向，設置兩端約束，模型寬度取1 個車道的寬度3m，深度方向為Y 方向，模型深度方向為100cm，土基深度取45cm。外界氣溫的變化通過對流和輻射兩個邊界條件傳遞給路面體。溫度場作為外部荷載施加到路面上，同時溫度場的變化又影響著結構的結構參數(shù)，相關參數(shù)如下表1 所示:

表1 溫度場及結構模型參

3 計算過程及結果分析

分析過程中，分別將太陽輻射和空氣對流和路面有效輻射同時加載到有限元模型的均布熱流過程中，將三者均已數(shù)組形式輸入到相關表格，在模型下部結合地表溫度，作為已知溫度進行約束，分析時長調(diào)整為一整天時間86400s，提取每隔2 小時的瞬時狀態(tài)，分析路面表層和深度為15cm 處的基層層底的溫度變化情況和所產(chǎn)生的溫度應力。

由圖1 可以看出，路面結構的溫度趨勢線和氣溫的趨勢變化基本一致，但路面層的溫度變化幅度明顯大于基層的變化:在白天太陽輻射和空氣對流換熱的情況下，表層吸收的熱量經(jīng)過熱傳導作用傳遞到基層，有部分熱量被表層吸收，經(jīng)歷了衰減，故熱能對基層的作用要相對減小;同理，在夜晚，氣溫低于路面溫度的情況下，路面熱量釋放，表層的熱量消散快，基層的熱量由于面層的熱阻抗作用，消退時間要比面層的時間更長，所以基層的溫度峰值和表層的峰值相比，出現(xiàn)了滯后的現(xiàn)象，和實際情況相吻合。

圖1 溫度分布曲線

圖2 溫度應力分布曲線

溫度應力不僅和溫度變化有關，而且在結構深度方向處的溫度場有關，低溫縮裂的主要裂縫為橫向裂縫，故主要分析路面在x 方向的應力情況。圖2 可以看出，在深度為15cm 左右的路面基層，溫度應力基本保持在200kpa 左右，基本不受溫度變化的影響，但在表層結構，溫度應力的變化趨勢和溫度變化趨勢相反，且變化幅度可達300kpa 左右，在溫度急劇變化的情況下，產(chǎn)生的拉應力有可能導致一次性的路面開裂。表層材料對于的溫度的敏感程度要大于基層材料，所以在進行瀝青路面表層的混合料配合比設計時的對于溫度的要求相對于其他結構層要更加嚴格，應保證表層結構有足夠的抗拉應力來抵抗有可能出現(xiàn)的極端的溫度應力，以保證路面的正常使用性能要求。

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