有限元数值分析在计算沥青路面温度应力中的应用

丁 乐，冯浩雄 湖南城市学院，湖南 益阳 413000

1 前言

路面材料随着温度的升降而引起体积的收缩和膨胀，如果这些不均匀的胀缩由于某种约束而不能实现时，便产生了温度应力，有可能使得路面结构出现损坏当温度变化时，热量以传导，辐射和对流等三种方式传递到路面结构，从而形成了时空分布的温度场，太阳辐射和气温等外部条件和材料本身的热学特征参数都对其产生影响，所以温度场的计算是个高度非线性问题。

2 沥青路面温度场有限元模型构建

在用限元法该模型建立时，把路面结构看做多层弹性层状体系，并假设各层均匀，连续，各层之间接触紧密，且忽略结构内部热阻和热源的存在。以典型的半刚性基层沥青路面为例，结构模型分五层考虑，选用不同热工性能的混合料，温度梯度方向为路面结构深度方向，为了与路面结构耦合，选用二维平面模型。路面横断面方向为X 方向，设置两端约束，模型宽度取1 个车道的宽度3m，深度方向为Y 方向，模型深度方向为100cm，土基深度取45cm。外界气温的变化通过对流和辐射两个边界条件传递给路面体。温度场作为外部荷载施加到路面上，同时温度场的变化又影响着结构的结构参数，相关参数如下表1 所示:

表1 温度场及结构模型参

3 计算过程及结果分析

分析过程中，分别将太阳辐射和空气对流和路面有效辐射同时加载到有限元模型的均布热流过程中，将三者均已数组形式输入到相关表格，在模型下部结合地表温度，作为已知温度进行约束，分析时长调整为一整天时间86400s，提取每隔2 小时的瞬时状态，分析路面表层和深度为15cm 处的基层层底的温度变化情况和所产生的温度应力。

由图1 可以看出，路面结构的温度趋势线和气温的趋势变化基本一致，但路面层的温度变化幅度明显大于基层的变化:在白天太阳辐射和空气对流换热的情况下，表层吸收的热量经过热传导作用传递到基层，有部分热量被表层吸收，经历了衰减，故热能对基层的作用要相对减小;同理，在夜晚，气温低于路面温度的情况下，路面热量释放，表层的热量消散快，基层的热量由于面层的热阻抗作用，消退时间要比面层的时间更长，所以基层的温度峰值和表层的峰值相比，出现了滞后的现象，和实际情况相吻合。

图1 温度分布曲线

图2 温度应力分布曲线

温度应力不仅和温度变化有关，而且在结构深度方向处的温度场有关，低温缩裂的主要裂缝为横向裂缝，故主要分析路面在x 方向的应力情况。图2 可以看出，在深度为15cm 左右的路面基层，温度应力基本保持在200kpa 左右，基本不受温度变化的影响，但在表层结构，温度应力的变化趋势和温度变化趋势相反，且变化幅度可达300kpa 左右，在温度急剧变化的情况下，产生的拉应力有可能导致一次性的路面开裂。表层材料对于的温度的敏感程度要大于基层材料，所以在进行沥青路面表层的混合料配合比设计时的对于温度的要求相对于其他结构层要更加严格，应保证表层结构有足够的抗拉应力来抵抗有可能出现的极端的温度应力，以保证路面的正常使用性能要求。

［1］刘宁.沥青路面温度场的有限元分析［J］.河南科技，2014(6):170-171.

［2］庄茁，廖剑晖.基于ABAQUS 的有限元分析和应用［M］.北京:清华大学出版社，2009.

［3］谢赖斌，张倩.沥青混凝土路面温度场有限元模拟比较［J］.公路，2013(7):38-41.

［4］杨学良，刘伯莹等.沥青路面温度场与结构耦合的有限元分析［J］.2006，23(11):1-4.