不同季節(jié)影響下復(fù)合道面力學(xué)響應(yīng)分析

郭成超，張順杰，楊曉東，閆衛(wèi)紅，4

（1.鄭州大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津市 300074；3.中山大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510275；4.河南省機(jī)場集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 451163）

0 引言

瀝青道面在使用過程中，會受到飛機(jī)荷載和溫度荷載的共同作用，其中溫度對于道面的受力有著十分重要的影響，所以研究道面在溫度影響下的力學(xué)響應(yīng)是十分必要的。目前國內(nèi)外學(xué)者對于道路溫度場進(jìn)行了許多研究。Chundi Si 等[1]通過瀝青路面建立有限元模型，研究了路面在荷載和外部環(huán)境因素共同作用下的動態(tài)特性，對道路不同結(jié)構(gòu)層的受力進(jìn)行分析。國內(nèi)周興業(yè)等[2]以半剛性基層和全厚式瀝青路面為研究對象，觀測了其在2017 年全年的溫度場狀況和力學(xué)狀況，得出了溫度和路面彎沉、應(yīng)變等力學(xué)指標(biāo)的關(guān)系模型。李盛等[3]通過建立帶縫狀態(tài)下的復(fù)合路面熱力耦合模型，研究了復(fù)合路面在不同因素作用下的力學(xué)響應(yīng)，得出了路面開裂的演變規(guī)律。趙玉壁等[4]依托實(shí)際工程，對BRT 瀝青路面進(jìn)行建模分析，得出了路面在熱力耦合作用下的變形規(guī)律。陳嘉祺等[5]通過分析道路溫度場的影響因素，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)情況，建立了道路溫度場預(yù)估模型。易富等[6]通過研究建立了瀝青道路熱平衡方程，并利用ADINA 模擬了路面在熱力耦合下的變形規(guī)律。

綜上，目前國內(nèi)外學(xué)者對道路溫度場進(jìn)行了許多研究，但對于不同季節(jié)時復(fù)合道面在熱力耦合作用下的力學(xué)性能研究較少?；诖耍恼箩槍χ性貐^(qū)機(jī)場復(fù)合道面結(jié)構(gòu)，建立了道面三維有限元模型，對復(fù)合道面在不同季節(jié)下的溫度場分布和力學(xué)性能進(jìn)行分析。

1 模型建立

1.1 基本假設(shè)

根據(jù)研究[7]，在建立溫度場計(jì)算模型前，為了簡化模擬計(jì)算條件，需要對模擬進(jìn)行如下假設(shè)：（1）假定道面結(jié)構(gòu)材料為均質(zhì)各向同性；（2）假定道面各結(jié)構(gòu)層之間為完全接觸；（3）假定熱流僅沿道面深度方向一維傳遞。

1.2 材料參數(shù)

結(jié)合機(jī)場道面相關(guān)研究[8]，確立機(jī)場道面材料參數(shù)，建立復(fù)合道面有限元模型。參數(shù)如表1 所示。

表1 機(jī)場道面材料參數(shù)

1.3 模型參數(shù)

1.3.1 模型尺寸和分析步建立

參考研究[8]，選取九塊板模型進(jìn)行計(jì)算，混凝土板尺寸為5 m×5 m，板間接縫為2 cm，所以道面尺寸為15.04 m×15.04 m。在進(jìn)行溫度場分析時，建立穩(wěn)態(tài)分析和瞬態(tài)分析兩種分析步，其中穩(wěn)態(tài)分析無實(shí)際意義，僅為后續(xù)瞬態(tài)分析提供溫度場熱分析。

1.3.2 網(wǎng)格劃分

在模型的網(wǎng)格劃分過程中，為保證受力的均勻和計(jì)算精度，對加載區(qū)域和計(jì)算分析區(qū)域進(jìn)行了合理的加密。

1.4 氣象參數(shù)

氣象參數(shù)是分析道路溫度場變化的重要參數(shù)之一，文章依據(jù)中原地區(qū)氣象特征，選取了2021 年中6月和1 月某一天作為分析道面溫度場的氣象條件，具體參數(shù)見表2、表3。

表2 2021 年6 月某天中原地區(qū)氣溫表

表3 2021 年1 月某天中原地區(qū)氣溫

2 模擬結(jié)果分析

為了方便研究道面內(nèi)部溫度場情況，建立了垂直于道面方向的溫度數(shù)據(jù)提取路徑，對道面不同深度、不同時刻的溫度場變化情況進(jìn)行分析。以6 月為例，溫度路徑提取出的數(shù)據(jù)如圖1 所示。

圖1 不同時刻道面結(jié)構(gòu)溫度分布圖

根據(jù)圖1 可知，道面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部在不同時刻時溫度是不斷變化的，但外界溫度所能影響的范圍在0.56 m 以內(nèi)，在道面結(jié)構(gòu)深處，溫度變化并不明顯。所以對道面0.56 m 范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)層進(jìn)行溫度提取，以研究復(fù)合道面溫度場的變化規(guī)律。具體可見圖2、圖3 所示。

圖2 6 月道面不同深度溫度變化圖

圖3 1 月道面不同深度溫度變化圖

根據(jù)圖2、圖3 可知，5 時之前道面溫度處于下降狀態(tài)，之后開始逐漸上升，其中面層溫度增長速率最快，在13 時達(dá)到頂。在到達(dá)溫度峰值后，道面溫度逐漸下降，由于溫度的滯后性，道面下部溫度下降速率小于面層，出現(xiàn)其他結(jié)構(gòu)層溫度逐漸高于面層的現(xiàn)象。

從圖2、圖3 可以看出，道面不同深度處溫度變化趨勢相似，和大氣溫度相比，面層最高溫度值遠(yuǎn)大于氣溫峰值，但隨著深度的增加，溫度峰值逐漸遞減，并且出現(xiàn)時間也逐漸延遲，這是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)層材料對于溫度的傳遞具有消減作用，才使得道面深處的溫度峰值低于道面表層。

3 熱力耦合模擬及數(shù)據(jù)驗(yàn)證

3.1 監(jiān)測系統(tǒng)建立

通過前期研究，在機(jī)場跑道中選取了4 個監(jiān)控?cái)嗝妫瑢C(jī)場道面進(jìn)行全方位連續(xù)監(jiān)測。監(jiān)測傳感器采用瀝青應(yīng)變計(jì)和混凝土應(yīng)變計(jì)，主要用來測量瀝青加鋪層底拉應(yīng)變和混凝土層拉應(yīng)變。這種埋入式傳感器主要根據(jù)張力弦原理制造，利用頻率作為輸出信號，抗干擾能力強(qiáng)，并且傳感器內(nèi)部有計(jì)算芯片，自動對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行換算，減少人工換算誤差。

此次傳感器布設(shè)位置位于混凝土表層，由于傳感器數(shù)量較多，傳統(tǒng)開槽機(jī)器速度較慢，所以采用圓形打孔機(jī)進(jìn)行輔助切槽。在傳感器放置后，需要對傳感器進(jìn)行固定，并針對不同傳感器類型選擇相應(yīng)材料進(jìn)行回填，如混凝土應(yīng)變計(jì)切槽需要選用C40 混凝土回填。在回填后，需要對混凝土板表層鋪設(shè)抗裂貼，防止開裂。

3.2 熱力耦合模型建立

在溫度場模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合項(xiàng)目工況，建立道面熱力耦合模型，以B737-800 機(jī)型為分析對象。分析道面在熱力耦合作用下的力學(xué)響應(yīng)。根據(jù)研究[9]，通過等效原則將輪印模型進(jìn)行簡化，機(jī)型具體參數(shù)如表4 所示。

表4 B737-800 參數(shù)表

3.3 模擬結(jié)果分析及數(shù)據(jù)驗(yàn)證

根據(jù)機(jī)場監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，將提取出的道面應(yīng)變信息與模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，分析如下圖4、圖5 所示。

圖4 夏季應(yīng)變對比分析圖

圖5 冬季應(yīng)變對比分析圖

從圖4、圖5 中可以看出，在夏季時，瀝青層底實(shí)測橫縱拉應(yīng)變分別為355.67 和163.95，混凝土層的橫縱壓應(yīng)變最大為44.83 和21.88；在冬季時，瀝青層底實(shí)測橫縱拉應(yīng)變分別為296.45 和88.28，混凝土層的橫縱壓應(yīng)變最大為11.62 和5.69。由數(shù)據(jù)可知，在不同季節(jié)時，道面在相同機(jī)型作用下所產(chǎn)生的變形不同，說明溫度對于道面的受力是有影響的，尤其對于混凝土來說，冬季時所產(chǎn)生的應(yīng)變值比夏季產(chǎn)生的減少約74%，變化十分明顯。

通過對比模擬數(shù)據(jù)和傳感器實(shí)測數(shù)據(jù)，可以看出二者的變化趨勢相同，二者之間的應(yīng)變差值也相對較小，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

4 結(jié) 論

文章結(jié)合實(shí)際工程，建立了道面有限元模型，分析了道面在不同季節(jié)時的溫度場分布和力學(xué)響應(yīng)，并與監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，具體結(jié)論如下。

（1）大氣溫度所能影響的道面深度范圍在0.56 m以內(nèi)，和大氣溫度相比，道面面層溫度峰值遠(yuǎn)大于氣溫峰值；

（2）道面各結(jié)構(gòu)層溫度變化趨勢相似，隨著道面深度的增加，溫度峰值逐漸遞減，并且出現(xiàn)時間也逐漸延遲；

（3）在不同季節(jié)時，道面在相同機(jī)型作用下所產(chǎn)生的變形不同，說明溫度對于道面的受力是有影響的，尤其對于混凝土來說，冬季時所產(chǎn)生的應(yīng)變值比夏季產(chǎn)生的減少約74%，變化十分明顯。