高寒地區(qū)瀝青路面溫度行為數(shù)值分析

艾長發(fā),黃大強(qiáng),高曉偉,邱延峻

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué) 道路工程四川省重點實驗室, 四川 成都 610031)

高寒地區(qū)瀝青路面溫度行為數(shù)值分析

艾長發(fā)1,2,黃大強(qiáng)1,2,高曉偉1,2,邱延峻1,2

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué) 道路工程四川省重點實驗室, 四川 成都 610031)

為研究高寒地區(qū)瀝青路面結(jié)構(gòu)溫度行為，以ABAQUS軟件為計算平臺，結(jié)合正交試驗方法及滯后衰減氣溫模型，進(jìn)行了氣象參數(shù)對瀝青路面溫度場影響及其參數(shù)敏感性分析，討論了結(jié)構(gòu)類型、結(jié)構(gòu)層厚度及層間狀態(tài)等因素對路面溫度場及溫度應(yīng)力分布狀況的影響，預(yù)測了瀝青面層不同深度溫度日變化值。研究表明：日太陽輻射總量和日平均風(fēng)速對路面溫度具有顯著影響，但其顯著性與路面結(jié)構(gòu)類型無關(guān)；結(jié)構(gòu)層溫度場低溫時段差別較小，高溫時段差別較大；低溫下結(jié)構(gòu)層最大溫度拉壓應(yīng)力是高溫下的5～8倍；級配碎石基層具有良好的溫度變化適應(yīng)性，是高寒地區(qū)首選的基層材料類型；采用滯后衰減氣溫模型進(jìn)行高寒地區(qū)瀝青面層溫度預(yù)測，高溫時精度較高，低溫時精度較低，該模型的適用性有待進(jìn)一步完善。

道路工程；瀝青路面；溫度場；溫度應(yīng)力；氣象參數(shù)；層間狀態(tài)；溫度預(yù)測

0 引 言

瀝青路面裸露在大自然環(huán)境之中，受到外界環(huán)境溫度等各種氣候條件的作用，使得瀝青路面受氣溫變化影響較大。瀝青路面溫度場及溫度應(yīng)力的研究已成為路面長期使用性能研究的一個重要方面[1]。不同區(qū)域氣溫條件的不同，導(dǎo)致路面溫度場及由此引起的路面結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力也有所不同。我國溫度場方面的研究起步較晚，在以往所進(jìn)行的研究中，多從解析解入手分析，由于過多的假設(shè)條件及解析表達(dá)式和邊界條件的簡化，使得解析解和實測值之間具有一定的差異，因此關(guān)于路面溫度行為的研究至今依然是一個重要的研究內(nèi)容。A.HERMANSSON[2]提出了用于在夏季高溫時預(yù)估瀝青路面溫度分布情況的計算模型，該模型主要以氣溫、風(fēng)速和每小時太陽輻射量為大氣參數(shù)；劉繼忠[3]采用有限元程序模擬計算了高海拔地區(qū)瀝青路面的溫度場及其應(yīng)力；周志剛等[4]建立了路面結(jié)構(gòu)隨季節(jié)變化的溫度場，分析了溫度季節(jié)性變化和隨深度的滯后對路面溫度應(yīng)力的影響，嚴(yán)作人[1]采用單次正弦曲線擬合了路面溫度。以上大量研究資料表明溫度變化是影響路面使用性能的一項重要因素。由于高寒地區(qū)氣候具有持續(xù)低溫、驟然降溫、大溫差等特點，條件惡劣對路面使用性能的影響將更為嚴(yán)重。基于此，筆者緊密結(jié)合高寒地區(qū)氣候條件特點，考慮路面溫度狀況影響因素，對瀝青路面結(jié)構(gòu)溫度場、溫度應(yīng)力分布以及路面結(jié)構(gòu)的溫度適應(yīng)性展開研究，進(jìn)行不同深度路面溫度的日變化規(guī)律預(yù)測。研究結(jié)果可為高寒地區(qū)基于氣候環(huán)境特點的瀝青路面結(jié)構(gòu)選型提供參考。

1 計算參數(shù)與模型

路面溫度狀況的影響因素可分為兩大類：外部因素和內(nèi)部因素[5]。外部因素包括大氣溫度、太陽輻射量、風(fēng)速等氣象因素。內(nèi)部因素包括路面材料的熱容量、熱傳導(dǎo)、對輻射熱的吸收能力及路面結(jié)構(gòu)組合、厚度等。

1.1 氣象參數(shù)

大氣溫度采用國道213線郎木寺至川主寺公路若爾蓋地區(qū)7月、12月實測氣溫值。參考甘孜、拉薩、那曲、昌都、格爾木等地氣象數(shù)據(jù)，確定計算模型的日太陽輻射總量、日照時間、日平均風(fēng)速代表值：7月日太陽輻射總量取20.5，22.5，24.5 MJ/m2，日照時間取6.6，7.6，8.6 h，日平均風(fēng)速取1.0，1.5,2.0 m/s；12月日太陽輻射總量取11,13,15 MJ/m2，日照時間取6.6,7.5,8.4 h，日平均風(fēng)速取0.7,1.3,2.0 m/s。研究中假設(shè)3者互為獨立變量并結(jié)合正交試驗設(shè)計方法進(jìn)行瀝青路面結(jié)構(gòu)溫度場的氣象參數(shù)敏感性分析。

1.2 路面結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)

參考相關(guān)研究文獻(xiàn)資料，選取4種路面結(jié)構(gòu)作為研究對象，如表1。結(jié)構(gòu)1為典型的半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)2～4為防止瀝青面層反射開裂的研究結(jié)構(gòu)。研究中考慮結(jié)構(gòu)層厚度變化、層間接觸條件變化對路面溫度行為的影響，其中上面層取4 cm；中面層取6，8 cm；下面層取8，10，12 cm；基層取20 cm(結(jié)構(gòu)2中應(yīng)力吸收層取5 cm，水穩(wěn)層取15 cm)；底基層取30 cm；路基取6 m。以半剛性結(jié)構(gòu)1為例，改變中下面層厚度形成6種厚度組合，命名形式如下：結(jié)構(gòu)1-1～結(jié)構(gòu)1- 6，瀝青結(jié)構(gòu)層厚度與命名形式見表1。路面層間接觸狀態(tài)考慮完全連續(xù)狀態(tài)和不完全連續(xù)狀態(tài)。當(dāng)為不完全連續(xù)狀態(tài)時，路基與底基層為完全連續(xù)狀態(tài)，而其余各層的黏結(jié)情況通過摩擦因數(shù)μ來考慮，其大小取0.6。參考文獻(xiàn)[6-7]取值情況，路面發(fā)射率ε取0.9，太陽輻射吸收率as取0.85，Stefan-Boltzmann常數(shù)取2.041 092×10-4J/h·m2·K4，絕對零度值TZ取-273 ℃，各結(jié)構(gòu)層其余材料熱物理參數(shù)取值見表2。

表1 瀝青路面結(jié)構(gòu)形式及結(jié)構(gòu)模型厚度組合方案

表2 結(jié)構(gòu)材料熱物理參數(shù)

1.3 計算模型

以ABAQUS有限元分析軟件為計算平臺，借助用戶子程序FILM、DFLUX，考慮在太陽輻射、路面有效輻射、氣溫及對流熱交換影響作用下，模擬周期性變溫條件下路面結(jié)構(gòu)溫度場。在此基礎(chǔ)上，通過順序耦合熱應(yīng)力分析計算路面結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力[6]。

瀝青路面結(jié)構(gòu)由上、中、下面層，基層，底基層，路基組成，并建立結(jié)構(gòu)三維有限元模型。平面尺寸為10 m×10 m，取1/4模型進(jìn)行計算分析。進(jìn)行溫度應(yīng)力計算時，各結(jié)構(gòu)層側(cè)面施加水平約束、對稱面施加對稱約束，路基底部施加豎向約束。參考文獻(xiàn)[7]取值情況，水泥穩(wěn)定碎石模量為1 500 MPa，泊松比為0.25，線膨脹系數(shù)為0.98×10-5/℃，級配碎石的模量為250 MPa，泊松比為0.35，線膨脹系數(shù)為0.5×10-5/℃，路基的模量為30 MPa，泊松比為0.35，線膨脹系數(shù)為0.45×10-5/℃，其余各層材料的熱應(yīng)力分析計算參數(shù)見表3。

表3 結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力分析材料參數(shù)

2 氣象參數(shù)敏感性分析

路面結(jié)構(gòu)溫度場對氣象參數(shù)敏感性分析考慮的溫度指標(biāo)有路表溫度，中面層頂面溫度，下面層頂面溫度，基層頂面溫度，底基層頂面溫度。以結(jié)構(gòu)1-1～結(jié)構(gòu)4-1為例，方差分析結(jié)果如表4，其中7月份評價指標(biāo)為最高溫度，12月份評價指標(biāo)為最低溫度。F臨界值在a=0.025的條件下為39，在a=0.01的條件下為99。

表4 溫度響應(yīng)方差分析F值

注：表中F值一欄“數(shù)據(jù)1/數(shù)據(jù)2/數(shù)據(jù)3/數(shù)據(jù)4/”表示對應(yīng)的結(jié)構(gòu)1-1，結(jié)構(gòu)2-1，結(jié)構(gòu)3-1及結(jié)構(gòu)4-1的F值大小。顯著性一欄表示按路表至底基層頂面對應(yīng)各結(jié)構(gòu)層的顯著性情況，其中“**”表示高度顯著；“*”表示顯著；“-”表示不顯著。

由表4可知，在高溫月份，日太陽輻射總量和日平均風(fēng)速對路面各結(jié)構(gòu)層最高溫度有著高度顯著影響，日照時間影響不顯著；沿著路面厚度方向，日太陽輻射總量的顯著性有所降低，而日平均風(fēng)速的顯著性有所上升。在低溫月份，日照時間影響不顯著，沿著路面厚度方向，日太陽輻射總量對路面各結(jié)構(gòu)層最低溫度的影響由顯著變成高度顯著，日平均風(fēng)速的影響由高度顯著變成不顯著，日太陽輻射總量的顯著性逐步上升，而日平均風(fēng)速的顯著性逐步下降。但各氣象因素對路面溫度場影響的顯著性與路面結(jié)構(gòu)類型無關(guān)。

3 溫度場及溫度應(yīng)力分析

通過對各結(jié)構(gòu)層的正交實驗結(jié)果進(jìn)行直觀分析，夏、冬兩季各氣象因素影響下溫度響應(yīng)最大組合方案如下：夏季高溫條件下氣象參數(shù)為日太陽輻射總量24.5 MJ/m2，日照時間7.6 h，日平均風(fēng)速1 m/s；冬季低溫條件下日太陽輻射總量11 MJ/m2，日照時間6.6 h，日平均風(fēng)速2 m/s。在此基礎(chǔ)上進(jìn)而分析路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部因素對溫度場及溫度應(yīng)力的影響。

3.1 溫度場分析

以結(jié)構(gòu)1-1為例，分析瀝青路面結(jié)構(gòu)在一天不同時刻(t)沿厚度方向溫度場分布情況，如圖1。以結(jié)構(gòu)1-1～結(jié)構(gòu)1- 6為例，考慮不同面層厚度，分析路面各結(jié)構(gòu)層厚度對路面結(jié)構(gòu)的溫度場影響，結(jié)果如圖2。

圖1 不同時刻沿路面厚度方向各結(jié)構(gòu)層溫度的分布情況Fig. 1 Distribution of temperature along the pavement thickness at different time

圖2 高溫條件下路面結(jié)構(gòu)面層厚度對路面溫度場的影響Fig. 2 Influence of pavement structure surface layer thickness on pavement temperature field under high temperature condition

由圖1可知，高溫條件下，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的溫度最大值隨時間由基層逐步變化到上面層，又由上面層變化到基層。面層，尤其是上面層在一天內(nèi)變化幅度較大，而底基層、路基溫度變化不大。低溫條件下也存在類似規(guī)律。

由圖2(a)可知，上、中面層溫度場主要受大氣環(huán)境的作用，下面各層厚度及熱物理參數(shù)變化對其影響較??；對比圖2(b)～(d)中的結(jié)構(gòu)1-1～1- 6可知，當(dāng)中面層厚度增加時，下面層、基層、底基層及路基溫度隨之降低；當(dāng)下面層厚度增加時，基層、底基層及路基溫度亦隨之降低。因此，瀝青路面上、中面層溫度場主要受外界大氣溫度及自身熱物理參數(shù)影響，而下面層、基層、底基層及路基溫度場除受外界大氣溫度及自身熱物理參數(shù)影響外，還與面層厚度有關(guān)，當(dāng)面層總厚度增加時，基層、底基層及路基溫度隨之降低。

3.2 溫度應(yīng)力分析

以結(jié)構(gòu)1-1為例，分析瀝青路面結(jié)構(gòu)沿厚度方向(h)溫度應(yīng)力分布狀況。結(jié)果如圖3。以結(jié)構(gòu)1-1～結(jié)構(gòu)1- 6為例，考慮不同面層厚度，分析路面各結(jié)構(gòu)層厚度對路面結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力影響，結(jié)果如圖4。

圖3 沿路面厚度方向各結(jié)構(gòu)層溫度應(yīng)力分布狀況(結(jié)構(gòu)1-1)Fig. 3 Temperature stress conditions along the pavement thickness

圖4 高溫條件下路面結(jié)構(gòu)面層厚度對結(jié)構(gòu)層溫度應(yīng)力的影響Fig. 4 Influence of pavement structure surface layer thickness on the structural layer temperature stress under high temperature condition

由圖3可知，各結(jié)構(gòu)層溫度應(yīng)力變化趨勢與大氣日溫度變化密切相關(guān)。00：00時開始隨著大氣溫度下降，各結(jié)構(gòu)層溫度隨之下降，此時結(jié)構(gòu)受拉且應(yīng)力不斷增大，06:00時左右大氣溫度開始上升，各結(jié)構(gòu)層溫度隨之上升，此時結(jié)構(gòu)受拉應(yīng)力達(dá)到最大值并開始快速下降，08:00時左右結(jié)構(gòu)由受拉變?yōu)槭軌?，?3:00時左右達(dá)到最大壓應(yīng)力，16:00時大氣溫度下降，結(jié)構(gòu)層溫度下降，結(jié)構(gòu)所受壓應(yīng)力下降。高溫條件下面層、基層溫度應(yīng)力變化波動較大，而低溫條件下面層溫度應(yīng)力變化波動較大，基層相對較為平穩(wěn)。低溫下結(jié)構(gòu)層所受最大拉壓應(yīng)力是高溫下結(jié)構(gòu)層所受最大拉壓應(yīng)力5～8倍。因此，高寒地區(qū)路面結(jié)構(gòu)在溫度交替變化引起的應(yīng)力交替變化及在低溫條件下產(chǎn)生的溫度應(yīng)力場需重點考慮。

由圖4(a)可知，上、中面層溫度應(yīng)力主要受大氣環(huán)境和自身溫度場的作用，下面各層厚度、溫度場變化對其影響較??；對比圖4(b)～(d)中的結(jié)構(gòu)1-1～1- 6可知，當(dāng)中面層厚度增加時，下面層、基層、底基層及路基溫度應(yīng)力隨之降低；當(dāng)下面層厚度增加時，基層、底基層及路基溫度應(yīng)力隨之降低。因此，瀝青路面上、中面層溫度應(yīng)力分布狀況主要受外界大氣溫度及自身熱應(yīng)力參數(shù)影響，而下面層、基層、底基層及路基溫度應(yīng)力除受外界大氣溫度及自身熱應(yīng)力參數(shù)影響外，還與面層厚度有關(guān)，當(dāng)面層總厚度增加時，基層、底基層及路基溫度應(yīng)力隨之降低。

3.3 層間結(jié)合狀態(tài)對溫度行為的影響

以結(jié)構(gòu)1-1為例，分別考慮路面結(jié)構(gòu)層間為完全連續(xù)體(完全綁定約束)和層間接觸(層間摩擦因數(shù)μ=0.6)。不同層間結(jié)合狀態(tài)下的溫度應(yīng)力計算結(jié)果如圖5。

圖5 路面結(jié)構(gòu)在不同層間條件下的溫度應(yīng)力場Fig. 5 Temperature stress field of pavement structure in different layers

由圖5可知，考慮層間接觸條件下，其溫度應(yīng)力場比連續(xù)體系略大。高低溫條件下各結(jié)構(gòu)層最大變溫速率均出現(xiàn)在路表，其值大小分別為±6，±3 ℃/h。結(jié)合已有研究成果可知，當(dāng)結(jié)構(gòu)層之間的變溫速率較小時，層與層間由溫度縮脹引起的相對滑動很小，結(jié)構(gòu)處于靜摩擦狀態(tài)，此時層間結(jié)合狀態(tài)對路面結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力場影響可以忽略不計。

3.4 結(jié)構(gòu)組合形式對溫度行為的影響

考慮4種不同結(jié)構(gòu)組合，各組合類型的最大溫度應(yīng)力計算結(jié)果如表5,圖6。

表5 各路面結(jié)構(gòu)沿路面厚度方向各處最大溫度應(yīng)力

圖6 各路面結(jié)構(gòu)基層溫度應(yīng)力狀況Fig. 6 Stress state of the pavement structure

由表5可知，在一定的氣象條件下，當(dāng)路面結(jié)構(gòu)層厚度相同時，各類型路面結(jié)構(gòu)面層、路基溫度應(yīng)力大小近乎相同，因此其溫度應(yīng)力大小僅取決于自身的熱應(yīng)力參數(shù)，而路面結(jié)構(gòu)組合形式對其影響可忽略。由圖6可知，結(jié)構(gòu)4-1的基層溫度應(yīng)力最低，具有優(yōu)異的溫度適應(yīng)性，能較好地適應(yīng)高寒地區(qū)大溫差變化。因此，高寒地區(qū)瀝青路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計時，應(yīng)高度重視路面基層溫度特性，首選對溫度變化不敏感的散粒體材料作為基層。

4 瀝青面層溫度日變化預(yù)測

為分析瀝青面層溫度日變化特征，基于國道213線郎木寺至川主寺公路實測溫度，在模型計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，進(jìn)行基于當(dāng)?shù)貧夂蛞?guī)律條件下的瀝青面層溫度日變化預(yù)測。不同深度處的路面溫度日變化與大氣溫度日變化規(guī)律類似，但存在一定時間的滯后和幅值折減，故可視為大氣氣溫經(jīng)一定程度的滯后和衰減后直接作用于路面某深度處。參考文獻(xiàn)[8-9]，根據(jù)若爾蓋地區(qū)氣候統(tǒng)計規(guī)律，采用二階段法，結(jié)合基于路面深度的滯后衰減氣溫日變化特征Tdq(t)，進(jìn)行綜合考慮氣溫、太陽日輻射總量、日照時間、日平均風(fēng)速作用下不同深度處瀝青面層溫度擬合。

當(dāng)tdmin≤t

(1)

當(dāng)tdc≤t

Tdq(t)=[Tqc-3βqcΔt(d)-A]e-βs[t-tqc-3Δt(d)]+A

(2)

其中:

βs=0.07ln[Tqmax-3.5βqmaxΔt(d)-Tqmin-

2βqminΔt(d)]

式中：Tqmax，Tqmin，Tqc分別為氣溫日最高溫度，日最低溫度，二階段交接時刻溫度，℃；tqmax，tqmin，tqc分別為氣溫日最高溫度時刻，日最低溫度時刻，二階段交接時刻，h；tdmax,tdmin,tdc為路面結(jié)構(gòu)深度d(m)處滯后衰減氣溫日最高溫度時刻，日最低溫度時刻，二階段交接時刻，h；βqmax，βqmin，βqc分別為氣溫日最高溫度，日最低溫度，二階段交接時刻溫度隨時間滯后的降溫速率，℃/h ；Δt(d)為理論滯后時間，h；α為材料導(dǎo)溫系數(shù)，m2/h。

結(jié)合若爾蓋地區(qū)氣溫變化規(guī)律，確定tqmax，tqmin，tqc取值7月份為14，7，15 h,12月份為14，0，15 h；Tqmax,Tqmin,Tqc取值7月份為19.8，6.42，19.14 ℃,12月份為4.45,-12.51,4.34 ℃；βqmax,βqmin,βqc取值7月份為 0.8，1.5，0.9 ℃/h，12月份為1.5，1.5，2.0 ℃/h；α取值為5.054 6 m2/h。

由于各氣象因素對路面溫度場影響的顯著性與路面結(jié)構(gòu)類型無關(guān)，故以結(jié)構(gòu)1-1為例，不同深度處瀝青面層溫度場預(yù)估模型為：T(D,t)=aTdq(t)+bR0+cHave+dWave+eD+f。式中,T(D,t)為深度D(cm)(D=100d)在t時刻的溫度值,R0為日太陽輻射總量，MJ/m2,Have為日照時間h,Wave為日平均風(fēng)速，m/s,a、b、c、d、e、f為回歸系數(shù)。擬合結(jié)果見表6,圖7。

表6 回歸系數(shù)

圖7 瀝青面層溫度日變化擬合結(jié)果Fig. 7 Fitting results of temperature of asphalt surface layer

由圖7可知，高溫條件下模型擬合精度較高，而低溫條件下存在氣溫突變、雨雪等因素，擬合精度較低。由于滯后衰減氣溫模型的精度影響，隨著深度的增加擬合值偏差增大。

5 結(jié) 論

1)日太陽輻射總量和日平均風(fēng)速對路面各結(jié)構(gòu)層溫度具有顯著影響，日照時間影響不顯著。各氣象因素對路面溫度場影響的顯著性與路面結(jié)構(gòu)類型無關(guān)。在高寒地區(qū)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)考慮太陽輻射總量和風(fēng)速變化對路面結(jié)構(gòu)溫度場的影響。

2)不同氣象參數(shù)條件下，路面各結(jié)構(gòu)層溫度場低溫時段差別較小，高溫時段差別較大，但沿著路面厚度方向這種差別愈趨不明顯；各結(jié)構(gòu)層溫度場受高溫氣象變化影響大，受低溫氣象變化影響小。

3)各結(jié)構(gòu)層溫度應(yīng)力變化與大氣溫度密切相關(guān)，低溫下結(jié)構(gòu)層所受最大拉壓應(yīng)力是高溫下的5～8倍。高寒地區(qū)路面結(jié)構(gòu)在溫度交替變化引起的應(yīng)力交替變化及其在低溫條件下產(chǎn)生的溫度應(yīng)力場需重點考慮。

4)當(dāng)路面僅受外界環(huán)境溫度變化作用且各結(jié)構(gòu)層最大變溫速率較小時，層間結(jié)合狀態(tài)對路面溫度行為的影響可忽略不計。

5)在一定的氣象條件及結(jié)構(gòu)層厚度條件下，路面溫度應(yīng)力大小僅取決于其各結(jié)構(gòu)層自身的熱應(yīng)力參數(shù)，而路面結(jié)構(gòu)組合形式對其影響可忽略。級配碎石基層溫度應(yīng)力接近于0，具有優(yōu)異的溫度變化適應(yīng)能力，是高寒地區(qū)首選的基層材料類型。

6)進(jìn)行了綜合考慮氣溫、太陽日輻射總量、日照時間、日平均風(fēng)速作用下的瀝青面層溫度預(yù)測，高溫條件下預(yù)測精度較高，低溫條件下相對較低。因此，采用滯后衰減氣溫模型進(jìn)行路面低溫預(yù)測，其模型有待進(jìn)一步完善。

[1] 嚴(yán)作人.層狀路面體系的溫度場分析[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，1984(3)：76-85. YAN Zuoren. Analysis of the temperature field in layered pavement system[J].JournalofTongjiUniversity(NaturalScience),1984(3)：76-85.

[2] HERMANSSON A. Simulation model for calculating pavement temperature including maximum temperature[J].JournaloftheTransportationResearchBoard,2000,1699:134-141.

[3] 劉繼忠.云南省高海拔地區(qū)瀝青路面溫度場及溫度應(yīng)力數(shù)值計算分析[D].重慶:重慶交通大學(xué)，2005. LIU Jizhong.AnalysisofTemperatureFieldandStressofAsphaltPavementinYunanHighAltitudeArea[D]. Chongqing: Chongqing Jiaotong University，2005.

[4] 周志剛，李宇峙.氣溫和交通荷載對低溫縮裂的影響[J].長沙交通學(xué)院學(xué)報,1996,12(1):34- 40. ZHOU Zhigang，LI Yuzhi. The influence on low-temperature cracking of asphalt pavement caused by air temperature and traffic loading[J].JournalofChangshaCommunicationsUniversity,1996,12(1):34- 40.

[5] 吳贛昌.半剛性路面溫度應(yīng)力分析[M].北京: 科學(xué)出版社，1995. WU Ganchang.AnalysisofThermalStressofSemi-rigidPavement[M]. Beijing: Science Press,1995.

[6] 廖公云，黃曉明.ABAQUS有限元軟件在道路工程中的應(yīng)用[M].南京：東南大學(xué)出版社，2008. LIAO Gongyun，HUANG Xiaoming.ApplicationofABAQUSFiniteElementSoftwareinRoadEngineering[M]. Nanjing: Southeast University Press，2008.

[7] 邱延峻，艾長發(fā)，黃兵，等.高寒地區(qū)瀝青路面結(jié)構(gòu)適應(yīng)性[J].西南交通大學(xué)學(xué)報，2009，44(2):147-154. QIU Yanjun，AI Changfa，HUANG Bing，et al. Field investigation and structural integrity of asphalt pavement in cold regions[J].JournalofSouthwestJiaotongUniversity，2009，44(2):147-154.

[8] 鄒曉翎，談至明，錢晨，等.路面溫度日變化曲線的擬合[J].長安大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2015，35(3):40- 45. ZOU Xiaolin，TAN Zhiming，QIAN Chen，et al. Curve fitting of diurnal temperature variations in pavements[J].JournalofChang'anUniversity(NaturalScienceEdition)，2015，35(3):40- 45.

[9] 甘新立，紀(jì)小平，曹海利，等.瀝青路面低溫溫度場的經(jīng)驗預(yù)估模型[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2015，41(4):584-589. GAN Xinli，JI Xiaoping，CAO Haili，et al. Empirical prediction model of low-temperature field of asphalt pavement[J].JournalofBeijingUniversityofTechnology，2015，41(4):584-589.

(責(zé)任編輯 譚緒凱)

Numerical Analysis of Asphalt Pavement Structure Temperature Behavior in Cold Regions

AI Changfa1,2, HUANG Daqiang1,2, GAO Xiaowei1,2, QIU Yanjun1,2

(1.School of Civil Engineering， Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, Sichuan，P.R.China; 2.Highway Engineering Key Laboratory of Sichuan Province, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, Sichuan，P.R.China)

In order to study the structure temperature behavior of asphalt pavement in high cold area, the influence of meteorological parameters on the temperature distribution of asphalt pavement were analyzed, and the influences of the pavement structural type, the structural layer thickness and the interlayer condition on the pavement temperature and its stress distribution, were discussed by using ABAQUS software based on the orthogonal analysis method. The temperature of asphalt layer in different depth was predicted via the lag attenuation air temperature model. The results show that the total solar radiation and daily average wind speed have significant influence on pavement temperature, but this influence trend has no relationship with pavement structure type. The pavement temperature distribution is in small difference during low temperature period, but this difference is bigger in high temperature period. The maximum tensile & compressive stress of pavement layer in low atmosphere temperature is greater by 5 to 8 times than in high atmosphere temperature. Graded gravel base has good adaptability to temperature variation, which is the first choice of base layer materials in cold regions. The temperature forecast of pavement in cold region is carried out by using the model of delayed attenuation with sound accuracy in condition of high temperature, but with poor accuracy in low temperature, so the applicability of this model needs further improvement.

highway engineering; asphalt pavement; pavement temperature distribution; thermal stress; meteorologic parameter; interlayer condition; temperature prediction

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.02.05

2015-12-03；

2016-02-14

國家自然科學(xué)基金項目(51378438)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金項目(SWJTU12ZT05)

艾長發(fā)(1975—)，男，江西南城人，副教授，博士，主要從事路面結(jié)構(gòu)與材料方面的研究。E-mail：cfai@home.swjtu.edu.cn。

黃大強(qiáng)(1991—)，男，湖北荊州人，碩士，主要從事路面結(jié)構(gòu)與材料方面的研究。E-mail：835701139@qq.com。

U414

A

1674-0696(2017)02- 024- 08