寒区沥青路面低温抗裂性能的力学分析★

于腾江 张海涛

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)



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寒区沥青路面低温抗裂性能的力学分析★

于腾江 张海涛*

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

结合实际工程沥青路面的各项力学指标，利用有限元分析软件ABAQUS，对寒区沥青路面在温度降低过程中的温缩应力变化进行了力学分析，并以水泥混凝土路面弹性薄板理论为依据，计算得到了不同边界约束情况下随温度变化的沥青面层温缩应力，总结出了沥青面层温缩应力随路面模型的结构尺寸、温度以及边界条件等影响因素的变化规律。

沥青路面，温缩应力，低温抗裂性能，ABAQUS软件，力学分析

0 引言

我国幅员辽阔，气候温度跨越大，受负温影响的寒区沥青路面低温抗裂性能对路面结构状况具有重要的意义。沥青混合料因为其自身的感温性极易受到温度波动的影响[1]。通过分析负温下的沥青混合料各项低温指标的力学特性，本项目借鉴水泥混凝土路面设计中的弹性地基薄板理论[2]，对负温下的沥青路面进行温缩应力分析。利用ABAQUS软件对弹性薄板条件下的寒区沥青路面温缩应力进行模拟与计算分析[3]，研究结果可以为寒区沥青路面低温抗裂等问题提供一定的理论支持。

1 寒区沥青路面的低温力学特性

1.1 沥青混合料的低温力学特性

我国沥青路面设计规范中使用沥青混合料20 ℃抗压弹性模量及15 ℃劈裂强度作为沥青结构层的设计指标[4]，但沥青路面在使用过程中直接受到气候变化的影响。

1)弹性模量与温度的关系。国内外许多学者对沥青混合料低温下的性质进行过研究，其中美国对路面长期性能项目(LTPP)的FWD数据[5]分析后认为，沥青面层反算模量与温度的关系如下：

Et/E20=100.016 93(20-t)

(1)

其中，t为温度，℃；Et为温度t下的沥青混合料弹性模量，MPa；E20为标准温度(20 ℃)下的沥青混合料弹性模量，MPa。

式(1)能很好地反映沥青混合料在低温情况下的弹性模量变化情况。总之，可以用通式表达为：

Et=f1(t)

(2)

2)温缩系数与温度的关系。沥青混合料在温度变化情况下产生变形，所以温缩系数对温缩应力的产生有着直接的影响。水泥混凝土温缩系数是固定不变值，但沥青混合料温缩系数随着温度降低而减少。因此，沥青混合料温缩系数与温度之间也可以用通式表达为：

αt=f2(t)

(3)

其中，αt为沥青混合料温缩系数。

1.2 负温下的沥青路面温缩应力的计算公式

负温下的沥青路面各项性质逐渐接近水泥混凝土路面的结构状态，例如弹性模量增加、粘塑性降低及脆性增加等，逐渐接近弹性薄板的状态[6]。

弹性薄板状态下的水泥混凝土路面温缩应力计算公式为：

σt=-EαΔt

(4)

因此，理论上可以得出负温下的沥青路面温缩应力的计算公式为：

σt=-EtαtΔt=-f1(t)f2(t)Δt

(5)

其中，σt为沥青路面温缩应力，MPa。

2 温缩应力的模型建立

2.1 算例概况

选取鸡呐公路(鸡西—呐河)为试验路[7]，沥青路面数据见表1和表2。

表1 试验路沥青路面结构层数据

表2 试验路沥青混合料技术参数

2.2 ABAQUS路面模型建立

按照ABAQUS建模的模块顺序建立沥青路面模型，按照以上表中的材料参数进行路面结构层属性赋值。边界及荷载条件分别为低端固定两端自由及低端固定两端固定，单元类型采用8结点双向二次平面应力四边形单元。确定的ABAQUS路面模型如图1所示。

3 温缩应力的计算结果

3.1 模型1的应力分析

1)不同模型长度的温缩应力分布情况。通过ABAQUS软件的模拟结果，不同模型长度的温缩应力分布情况如图2所示。

从图2中可以看出，因为沥青混合料低温收缩以及底部边界条件的限制，沥青面层表面应力分布从两边到中间呈凸起状态，中间位置达到最大值，且两边对称分布。

2)温缩应力计算结果。通过分析以上的模拟结果可知，在模型中间位置温缩应力值基本稳定，所以中间稳定部分的应力数据为模拟应力值，则分别取0.5 m，1 m，2 m位置处的数值得到温缩应力计算结果(见表3)。

表3 不同模型长度及温度下的温缩应力(模型1) MPa

3.2 模型2的应力分析

1)不同模型长度的温缩应力分布情况。通过ABAQUS软件的模拟结果，不同模型长度的温缩应力分布情况如图3所示。

2)温缩应力计算结果。通过分析以上的模拟结果可知，在模型中间位置温缩应力值基本稳定，所以中间稳定部分的应力数据为模拟应力值，则分别取0.5 m，1 m，2 m位置处的数值得到温缩应力计算结果(见表4)。

表4 不同模型长度及温度下的温缩应力(模型2) MPa

4 计算结果对比

根据材料力学中的原理，本研究采用3.86 MPa与4.48 MPa作为沥青路面破坏强度极限参考强度[8，9]，计算结果对比如图4所示。

从图4中可以看出，在算例所取的各种条件情况下，路面低温开裂温度在-7 ℃～-10 ℃左右，且随着温度的降低，路面温缩应力不断增加，两种边界条件下的温缩应力同步增加。因此，沥青路面温缩应力与温度的回归关系式为：

σt=0.007 4t2-0.185 3t+1.009 6

(6)

5 结语

1)将水泥混凝土路面弹性薄板理论应用到低温条件下的沥青路面计算温缩应力是可行的，计算结果具有一定的理论与实用价值。

2)不同边界条件下，沥青路面温缩应力在表面上虽然分布不同，但在稳定后均保持相近的数值，从而说明在不同边界条件下表现出的稳定温缩应力值比较相近。

3)对拟计算数据的回归分析，建立了沥青路面温缩应力与温度的关系，取得了比较满意的结果。

4)沥青路面温缩应力随着温度降低而增大，对于算例模型分析结果，在-7 ℃～10 ℃左右沥青路面温缩应力大于沥青材料的极限抗拉强度，即沥青路面开裂。

[1] 张争奇,赵战利,张卫平.矿料级配对沥青混合料低温性能的影响[J].长安大学学报(自然科学版),2005,25(2):1-5.

[2] JTG D40—2011，公路水泥混凝土路面设计规范[S].

[3] 廖公云,黄晓明.ABAQUS有限元软件在道路工程中的应用[M].南京:东南大学出版社,2008:77-100.

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[9] Chen Yu,Zheng Chuanchao.Fracture Behavior of Asphalt Pavement with Cracked Base Course under Low Temperature[J].International Journal of Pavement Research and Technology,2013,6(6):773-777.

Mechanical analysis on anti-cracking performance of asphalt pavement in cold area★

Yu Tengjiang Zhang Haitao*

(CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

Combined with the actual mechanics index of asphalt pavement engineering, finite element analysis software ABAQUS cold regions asphalt pavement thermal stress changes in the temperature decreasing process will be mechanical analysis. Cement concrete pavement elastic thin plate theory, calculated under different boundary constraints situation varies with temperature asphalt surface temperature shrinkage stresses. Summed up the asphalt surface temperature variation with compressive stress on the structure of the road surface model size, temperature and boundary conditions and the like.Key words: asphalt pavement, temperature shrinkage stress, anti-cracking performance at low temperature, ABAQUS software, mechanical analysis

1009-6825(2016)24-0140-03

2016-06-13★:黑龙江省交通运输厅重点项目

于腾江(1989- )，男，在读硕士

张海涛(1963- )，男，博士，教授

U416.217

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