丁 樂(lè)，馮浩雄 湖南城市學(xué)院，湖南 益陽(yáng) 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(shí)現(xiàn)時(shí)，便產(chǎn)生了溫度應(yīng)力，有可能使得路面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損壞當(dāng)溫度變化時(shí)，熱量以傳導(dǎo)，輻射和對(duì)流等三種方式傳遞到路面結(jié)構(gòu)，從而形成了時(shí)空分布的溫度場(chǎng)，太陽(yáng)輻射和氣溫等外部條件和材料本身的熱學(xué)特征參數(shù)都對(duì)其產(chǎn)生影響，所以溫度場(chǎng)的計(jì)算是個(gè)高度非線(xiàn)性問(wèn)題。

2 瀝青路面溫度場(chǎng)有限元模型構(gòu)建

在用限元法該模型建立時(shí)，把路面結(jié)構(gòu)看做多層彈性層狀體系，并假設(shè)各層均勻，連續(xù)，各層之間接觸緊密，且忽略結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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?yàn)槁访娼Y(jié)構(gòu)深度方向，為了與路面結(jié)構(gòu)耦合，選用二維平面模型。路面橫斷面方向?yàn)閄 方向，設(shè)置兩端約束，模型寬度取1 個(gè)車(chē)道的寬度3m，深度方向?yàn)閅 方向，模型深度方向?yàn)?00cm，土基深度取45cm。外界氣溫的變化通過(guò)對(duì)流和輻射兩個(gè)邊界條件傳遞給路面體。溫度場(chǎng)作為外部荷載施加到路面上，同時(shí)溫度場(chǎng)的變化又影響著結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，相關(guān)參數(shù)如下表1 所示:

表1 溫度場(chǎng)及結(jié)構(gòu)模型參

3 計(jì)算過(guò)程及結(jié)果分析

分析過(guò)程中，分別將太陽(yáng)輻射和空氣對(duì)流和路面有效輻射同時(shí)加載到有限元模型的均布熱流過(guò)程中，將三者均已數(shù)組形式輸入到相關(guān)表格，在模型下部結(jié)合地表溫度，作為已知溫度進(jìn)行約束，分析時(shí)長(zhǎng)調(diào)整為一整天時(shí)間86400s，提取每隔2 小時(shí)的瞬時(shí)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(yīng)力。

由圖1 可以看出，路面結(jié)構(gòu)的溫度趨勢(shì)線(xiàn)和氣溫的趨勢(shì)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(yáng)輻射和空氣對(duì)流換熱的情況下，表層吸收的熱量經(jīng)過(guò)熱傳導(dǎo)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(duì)基層的作用要相對(duì)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(shí)間要比面層的時(shí)間更長(zhǎng)，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(shí)際情況相吻合。

圖1 溫度分布曲線(xiàn)

圖2 溫度應(yīng)力分布曲線(xiàn)

溫度應(yīng)力不僅和溫度變化有關(guān)，而且在結(jié)構(gòu)深度方向處的溫度場(chǎng)有關(guān)，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(yīng)力情況。圖2 可以看出，在深度為15cm 左右的路面基層，溫度應(yīng)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(jié)構(gòu)，溫度應(yīng)力的變化趨勢(shì)和溫度變化趨勢(shì)相反，且變化幅度可達(dá)300kpa 左右，在溫度急劇變化的情況下，產(chǎn)生的拉應(yīng)力有可能導(dǎo)致一次性的路面開(kāi)裂。表層材料對(duì)于的溫度的敏感程度要大于基層材料，所以在進(jìn)行瀝青路面表層的混合料配合比設(shè)計(jì)時(shí)的對(duì)于溫度的要求相對(duì)于其他結(jié)構(gòu)層要更加嚴(yán)格，應(yīng)保證表層結(jié)構(gòu)有足夠的抗拉應(yīng)力來(lái)抵抗有可能出現(xiàn)的極端的溫度應(yīng)力，以保證路面的正常使用性能要求。

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