基于ABAQUS有限元軟件的瀝青路面溫度場分布規(guī)律研究

諶及時，唐啟文

(1.長沙市寧鄉(xiāng)經濟技術開發(fā)區(qū)管理委員會，長沙 410600;2.江西恒信工程檢測集團有限公司，江西 南昌 330013)

0 引 言

隨著溫度的變化，瀝青混合料的力學性能及行為隨之產生變化，尤其在夏季高溫條件下，瀝青混合料勁度模量降低，在荷載作用下會發(fā)生車轍、推擠等病害。準確預測瀝青路面溫度場分布情況，可以為道路設計提供最不利參數(shù)，從而優(yōu)化結構層及材料設計組合，保障瀝青混合料在使用過程中的高溫穩(wěn)定性及低溫抗裂性，同時對分析和減少路面結構病害提供理論依據(jù)，具有非常重要的意義。

1 瀝青路面溫度場分析的基本理論

2 瀝青路面溫度場有限元模型

2.1 路面結構及材料參數(shù)

選取瀝青路面結構為：上面層為SMA-13，中面層為AC-20，下面層為AC-25，基層為水泥穩(wěn)定碎石。

通過查找資料，得到當?shù)仫L速為3.0 m/s，并將測得的夏季1 d 24 h代表溫度如表1所示，材料熱參數(shù)如表2所示

表1 夏季1 d 24 h代表氣溫

表2 路面溫度場熱屬性參數(shù)

3 計算結果及瀝青路面溫度場分析

將模型提交計算并得到路面結構在不同時刻溫度場分布情況，其中瀝青路面在12∶00、24∶00二個時間段內不同位置處溫度分布云圖如圖1、圖2所示，可以看出，隨著時間的增加，路面結構層溫度逐漸向下傳遞。

圖1 12∶00路面溫度分布圖

圖2 24∶00路面溫度分布圖

分析路面不同結構層在24 h內溫度變化規(guī)律如圖3所示，由圖可知，路面內部溫度場隨著外界氣溫的變化而變化，這種影響主要發(fā)生在瀝青面層和基層部位。距離路表越近，結構溫度隨氣溫變化越明顯，結構層溫度變化隨著距離路邊深度增加而降低。路表溫度日波動最大，約為30 ℃，中面層和下面層頂部溫度波動依次約為22 ℃、15 ℃，而水泥穩(wěn)定碎石基層頂部氣溫波動約為10 ℃，基層底部(土基頂部)氣溫波動最小，約為0.21 ℃，可以看出，在低溫條件下，瀝青路面低溫開裂主要是由于瀝青面層低溫收縮導致。路表最高溫度出現(xiàn)在14∶00左右，最低溫度出現(xiàn)在5∶00左右，隨著路面深度的增加，各結構層頂部最高溫度出現(xiàn)一定的延遲，且個結構層頂與上面層頂部相比延遲相位差逐漸增加。對于周期變化的氣溫，其對瀝青路面的影響深度月為40～50 cm，且上面層的波動最劇烈。圖4為一天內代表時刻距離路面以下不同深度處的溫度變化規(guī)律，由圖4可知，中午12∶00時隨著距離路面深度的增加，溫差最大，而凌晨4∶00時時溫差最小。

圖3 路面各結構層溫度變化規(guī)律

圖4 路面以下不同深度溫度變化曲線

4 計算結果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對比

將有限元模型計算出的瀝青路面溫度場分布與第三章現(xiàn)場實測路面溫度場分布對比如圖5所示，從圖5中可以看出，利用有限元計算得到的瀝青路面各結構層頂部溫度與現(xiàn)場實測各結構層峰值溫度、溫度變化趨勢以及不同結構層最高溫度出現(xiàn)時刻的相位差基本吻合，從而可以驗證瀝青路面溫度場有限元計算模型的正確性與適用性，為接下來進行瀝青路面車轍計算提供可靠的基礎。

圖5 各測點計算溫度與實測溫度對比

5 小 結

通過ABAQUS有限元法對瀝青路面結構在日周期變化氣溫條件下的溫度場分布規(guī)律進行模擬計算，并與現(xiàn)場實測路面結構層溫度場分布進行對比驗證，可以得出以下結論：

(1)一天當中路面表層最高氣溫出現(xiàn)在14∶00左右，最低氣溫出現(xiàn)在6∶00左右，隨著路面結構深度的增加，結構最高溫度逐漸下降，而最低溫度卻逐漸增加。

(2)隨著路面結構層深度的增加，各結構層溫度變化規(guī)律大體相同，但是最高氣溫出現(xiàn)時間相對于路面表層而言逐漸推遲，且相位差逐漸增加。

(3)氣溫變化對于路面結構的影響主要在基層及以上層位，對于土基且距離表面越近，氣溫變化幅度越大，晝夜溫差越明顯。而氣溫變化對于土基而言影響較小，隨著氣溫的規(guī)律變化，土基溫度幾乎為水平趨勢，瀝青路面面層結構是在溫度變化過程中產生車轍、推移等病害的主要部位。