夏冬季壩頂瀝青路面溫度應(yīng)力三維有限元分析

張 通

(遼寧省農(nóng)村水利建設(shè)管理局，遼寧 沈陽 110003)

瀝青路面混合料是由礦料與瀝青結(jié)合料按一定比例拌合而成，具有較好彈塑性和較強(qiáng)溫度敏感性，其結(jié)構(gòu)力學(xué)性能與溫度間存在顯著關(guān)聯(lián)特性[1- 2]。由于受氣溫變化、太陽輻射和地面反射等因素的影響，瀝青路面開裂、車轍和推移雍包等結(jié)構(gòu)破壞均與溫度場分布及變化規(guī)律有關(guān)[3- 6]。夏季高溫和冬季低溫季節(jié)，高溫?zé)崦浐偷蜏乇鶅龅韧獠凯h(huán)境條件，通過輻射、傳導(dǎo)和對流等形式沿瀝青路面深度方向由高溫向低溫產(chǎn)生復(fù)雜的溫度變換，導(dǎo)致路面產(chǎn)生裂縫破壞[7- 8]。鑒于此，本文結(jié)合前城子水庫工程實(shí)例，利用ANSYS有限元對壩頂瀝青路面在夏季高溫和冬季低溫條件下的溫度應(yīng)力分布狀況及梯度變換規(guī)律進(jìn)行模擬分析，掌握溫度變化對瀝青路面結(jié)構(gòu)受力影響，以期為工程除險加固時路面結(jié)構(gòu)合理設(shè)計(jì)提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐，確保工程高效優(yōu)質(zhì)地施工建設(shè)[9- 11]。

1 瀝青路面溫度場關(guān)聯(lián)性函數(shù)

1.1 瀝青路面周期性變溫特性

水庫大壩壩頂瀝青路面除了受車道荷載和車載荷載作用外，還受運(yùn)行環(huán)境周期性氣候變化的影響。瀝青路面結(jié)構(gòu)溫度由不同時間和不同深度的溫度效應(yīng)組成，經(jīng)太陽照射、空氣對流和內(nèi)部熱傳遞等形式進(jìn)行熱量的交換。太陽輻射量、有效日照時長、最高最低溫差以及風(fēng)速、風(fēng)量等，均是影響瀝青路面溫度應(yīng)力變化的主要因素。當(dāng)溫度變化作用到瀝青路面結(jié)構(gòu)時，就會引起結(jié)構(gòu)應(yīng)力場及應(yīng)變場發(fā)生改變[12- 13]。由于庫區(qū)環(huán)境氣候條件呈周期性變化，作用在瀝青路面結(jié)構(gòu)中的溫度場也具有周期性變換特性。因此，可以在假定模型某些約束條件和邊界條件的基礎(chǔ)上，對瀝青路面上的溫度應(yīng)力進(jìn)行詳細(xì)模擬分析。

1.2 溫度場關(guān)聯(lián)性函數(shù)

溫度場與溫度在時間域和空間域間的分布特性有關(guān)，其關(guān)聯(lián)性函數(shù)為：

T=T(x，y，z，t)

(1)

式中，t—時間域；x，y，z—空間域。

(2)

式中，n0—等溫面法向梯度變化單位矢量；i，j，k—等溫面在x，y，z空間域中的溫度變化單位矢量。

考慮水庫壩頂路面實(shí)際環(huán)境條件，對模擬模型施加空氣溫度、太陽輻射等溫度荷載，在穩(wěn)態(tài)溫度場環(huán)境下，探究溫升、溫降等環(huán)境因素對瀝青路面溫度應(yīng)力的影響及變化規(guī)律，可為除險加固路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一些參考依據(jù)。

2 溫度應(yīng)力三維有限元建模

2.1 模型構(gòu)建基本條件

在進(jìn)行瀝青路面溫度應(yīng)力分析時，以粘彈性層狀結(jié)構(gòu)及穩(wěn)態(tài)溫度場為理論條件[15- 16]，采用ANSYS軟件構(gòu)建三維有限元模型，并提出以下假設(shè)條件：

(1)壩頂路面面層、墊層及土基等結(jié)構(gòu)層各向?qū)ΨQ且連續(xù)，層內(nèi)均為各向同性的粘彈性材料。

(2)結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)為常數(shù)，不隨溫度變化而變化；層內(nèi)溫度場間對稱、溫度及熱流連續(xù)。

(3)溫度在法向方向分布為線性，只考慮溫度翹曲應(yīng)力，暫不考慮內(nèi)應(yīng)力。

2.2 計(jì)算參數(shù)及三維模型

基于壩頂瀝青路面粘彈性層狀結(jié)構(gòu)的基本假設(shè)，設(shè)置模型為對稱邊界條件，層間同性且完全連續(xù)，底面固定無水平位移。選取壩軸線指向溢洪道方向?yàn)閤方向，垂直指向下游方向?yàn)閥方向，兩個方向分別取0.1、0.15m。根據(jù)壩頂?shù)缆穼?shí)際厚度及最大凍深，設(shè)垂直于面層向下為z方向，沿z方向各結(jié)構(gòu)層厚度分別為瀝青面層0.2m、石灰土墊層0.15m及基層1.15m。壩頂瀝青道路二維平面模型如圖1所示，各結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)見表1。

選用Plane55熱單元和Plane42二維實(shí)體單元對壩頂?shù)缆愤M(jìn)行溫度荷載分析，前者取溫度1個自由度，后者取x、y方向平移的2個自由度。瀝青路面結(jié)構(gòu)三維模擬模型網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

3 瀝青路面溫度應(yīng)力三維模擬分析

3.1 工程概況

前城子水庫位于遼寧省朝陽市建平縣小塘鎮(zhèn)七家村，所在河流為四漢城河，是老哈河的二級支流，始建于1975年，是一座以防洪為主﹑灌溉為輔的小(Ⅰ)型水庫。水庫所在流域?qū)儆诒睖貛Ъ撅L(fēng)氣候，夏季多雨炎熱，冬、春少雨干燥，一年四季變化分明且規(guī)律。根據(jù)朝陽氣象局資料，庫區(qū)多年平均最大風(fēng)速15.44m/s。無霜期125～160d，初霜期在9月下旬，終霜期在5月上旬。多年平均日照數(shù)為2800～2900h，是遼寧省內(nèi)日照時間最長地區(qū)。冬季平均最低溫度約11℃，夏季平均最高溫度約32℃，最大凍深1.2m左右。水庫壩頂高程633.48m，壩頂路面長350m，壩頂寬11.64m。壩頂瀝青路面層厚0.2m，墊層厚0.15m，兼做村級道路。水庫建成后，已進(jìn)行過3次以上除險加固，每次均涉及到壩頂路面修復(fù)內(nèi)容。

圖1 壩頂?shù)缆范S平面模型

圖2 瀝青路面三維模型網(wǎng)格劃分

根據(jù)氣象部門統(tǒng)計(jì)，前城子水庫庫區(qū)氣溫升降呈一定規(guī)律，每日最高氣溫一般在14點(diǎn)前后，每日最低氣溫通常在凌晨4點(diǎn)左右。以14點(diǎn)作為時間起點(diǎn)，取冬季與夏季平均溫度日，即2018年12月10日(最低氣溫-11℃、最高氣溫-4℃)、2018年7月10日(最低氣溫20℃、最高氣溫32℃)為計(jì)算日，分析當(dāng)日起點(diǎn)開始后24h內(nèi)溫度對瀝青路面的影響。采用文獻(xiàn)[11]中提出的路面溫度預(yù)測模型進(jìn)行計(jì)算，即：

(3)

表1 瀝青路面各結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)

3.2 冬季瀝青路面溫度應(yīng)力分析

利用ANSYS有限元軟件按照圖1和圖2結(jié)構(gòu)構(gòu)建三維瀝青路面結(jié)構(gòu)模型，經(jīng)溫度應(yīng)力模擬得冬季路面結(jié)構(gòu)24h內(nèi)的溫度變化、溫度梯度和溫度應(yīng)力分析結(jié)果，如圖3—5所示。

圖3 24h內(nèi)溫度變化(冬季)

圖4 24h內(nèi)溫度梯度變化(冬季)

圖5 24h內(nèi)溫度應(yīng)力變化(冬季)

(1)溫度變化

將瀝青路面冬季時的溫度變化施加到道路三維模型中進(jìn)行有限元計(jì)算分析，得到瀝青路面各結(jié)構(gòu)層24h內(nèi)溫度變化情況。由圖3可知，瀝青面層溫度的日最高溫度約0℃，最低溫度約-10℃，與水庫庫區(qū)地表溫度基本一致，其最高溫度與最低溫度間相差約10℃。墊層頂部最高溫度約-0.4℃，最低溫度約-2.5℃，波動量在2.1℃左右?；鶎禹敳康淖罡邷囟燃s0℃左右，最低溫度約-1℃左右，相差約1℃。

(2)溫度梯度變化

為更加準(zhǔn)確描述瀝青路面道路結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度的均勻性，引入溫度梯度指標(biāo)，取溫度增加為正方向。施加溫度荷載后，得到24h內(nèi)壩頂?shù)缆犯鹘Y(jié)構(gòu)層沿縱向溫度梯度的變化情況。由圖4可知：瀝青面層的溫度梯度升降幅度最大，其最大正值約2℃/m，出現(xiàn)在15時左右，而其最大負(fù)值約-8℃/m，出現(xiàn)在8時左右，二者相差10℃/m；墊層溫度梯度最大正值約0.1℃/m，出現(xiàn)在15時左右，最大負(fù)值約-1.5℃/m，出現(xiàn)在8時左右，二者相差約1.5℃；基層溫度梯度最大正值約0.1℃/m，出現(xiàn)在15時左右，最大負(fù)值約-1℃/m，出現(xiàn)在8時左右，二者相差1℃/m。由此可知，隨著z方向埋深增加，溫度梯度變化幅度逐漸減小。由于在一定范圍內(nèi)，溫度梯度的增加會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫度應(yīng)力。因此，由計(jì)算結(jié)果可知，瀝青面層表面是溫度荷載作用下影響最為明顯的部位。

(3)溫度應(yīng)力變化

由于溫度荷載對壩頂?shù)缆返淖饔檬且?guī)律性、反復(fù)性的，因此有必要對溫度應(yīng)力進(jìn)行分析計(jì)算。經(jīng)有限元法分析后，得到瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部在24h內(nèi)溫度應(yīng)力的變化。由圖5可知，壩頂?shù)缆犯鹘Y(jié)構(gòu)層在冬季低溫影響下主要受到拉應(yīng)力作用，瀝青面層內(nèi)拉應(yīng)力明顯小于墊層和基層，基層內(nèi)產(chǎn)生的拉應(yīng)力最大。

3.3 夏季瀝青路面溫度應(yīng)力分析

經(jīng)溫度應(yīng)力模擬得夏季路面結(jié)構(gòu)24h內(nèi)的溫度變化、溫度梯度和溫度應(yīng)力分析結(jié)果，如圖6—8所示。

圖6 24h內(nèi)溫度變化(夏季)

圖7 24h內(nèi)溫度梯度變化(夏季)

圖8 24h內(nèi)溫度應(yīng)力變化(夏季)

(1)溫度變化

由圖6可知，瀝青面層最高溫度約48℃，最低溫度約22℃，二者相差約26℃。石灰土墊層頂部最高溫度約20℃，最低溫度約1℃，二者相差約19℃；基層頂部最高溫度約8℃，最低溫度約1℃，二者相差約7℃，三個結(jié)構(gòu)層內(nèi)溫度最大值與最小值之差均大于冬季。

(2)溫度梯度變化

由圖7可知，夏季壩頂?shù)缆犯鹘Y(jié)構(gòu)層z向溫度梯度變化情況。面層溫度梯度最大值約48℃/m，最小值約9℃/m，二者相差約39℃/m；墊層溫度梯度最大值約9℃/m，最小值約0.5℃/m，二者相差約8.5℃；基層溫度梯度最大值約8℃/m，最小值約0.5℃/m，二者相差約7.5℃。夏季溫度梯度隨z向深度增加變化幅度呈減小趨勢，面層的變化幅度明顯大于墊層和基層，墊層和基層的變化幅度較為接近。

(3)溫度應(yīng)力變化

由圖8可知，夏季壩頂?shù)缆犯鹘Y(jié)構(gòu)層均受到壓應(yīng)力的影響，其中面層內(nèi)產(chǎn)生的壓應(yīng)力最大，墊層與基層內(nèi)產(chǎn)生的壓應(yīng)力較為接近，均明顯小于面層。

4 結(jié)論

采用三維有限元軟件對冬季低溫和夏季高溫條件下的瀝青路面溫度應(yīng)力進(jìn)行模擬分析，得出壩頂?shù)缆方Y(jié)構(gòu)中瀝青面層受溫度變化的影響最大，且夏季較冬季明顯。夏季溫度引起的破壞主要為壓應(yīng)力作用，而冬季則以拉應(yīng)力為主。由于溫度應(yīng)力反復(fù)作用會使壩頂?shù)缆樊a(chǎn)生車轍、裂縫等危害，因此應(yīng)采取下列有效措施控制溫度應(yīng)力的產(chǎn)生。

(1)道路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，宜在水穩(wěn)基層設(shè)置伸縮縫，以適應(yīng)結(jié)構(gòu)的自由伸縮和變形修正。

(2)施工時，應(yīng)嚴(yán)格控制粗細(xì)骨料用量、級配及水膠比。

(3)夏季高溫宜灑水降溫，冬季低溫宜加蓋草墊、覆蓋薄膜等進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。