沥青路面低温抗裂温度场有限元分析

郭博　赵亮

摘要：基于热传学原理，通过确定温度场的边界条件和初始分析状态，建立了沥青路面的温度场有限元模型，应用ANSYS 的瞬态热分析和热力耦合技术，分析了低温地区沥青路面结构的温度应力及其随时间的变化规律。分析结果表明，低温地区沥青路面的应力受温度影响很大，沿深度方向呈现非线性变化，由上往下呈现递减的趋势，有限单元法可以用于路面温度场的预估，为路面结构和材料设计提供理论依据。

Abstract： Aimed at the thermal stress of asphalt pavement in low temperature zone and its varying with time， a finite element model of asphalt pavement temperature field is established. The model is based on theory of heat conduction， boundary conditions and the initial conditions， the methods of transient thermal and thermal-mechanical coupling analysis of ANSYS are also applied. The results indicate that temperature evidently effects on stress of asphalt pavement in low temperature zone， the curves with the depth show nonlinear changes and decreased. Finite element method can be used to predict the temperature field of pavement and provide the theoretical basis for design of pavement structure and materials.

关键词：低温地区；温度场；温度应力；热力耦合；沥青路面；有限元

Key words： low temperature zone；temperature field；temperature stress；thermal-mechanical coupling；asphalt pavement；finite element method

中图分类号：TV313 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）32-0123-03

0 引言

随着沥青路面在交通运输领域的广泛应用，其病害一直以来都是备受关注的问题。低温裂缝是沥青路面的主要破坏类型[1]。因此，低温地区的沥青路面必须具有足够的低温抗裂性能[2，3]。

沥青混合料是一种温度敏感性材料，其模量和强度都会随温度的变化而变化，从而导致沥青路面的承载力和稳定性均受到温度的显著影响。沥青路面的裂缝、车辙、推挤拥包及疲劳破坏等病害，也直接或间接的与路面温度场有关。

因此，预测沥青路面温度场的分布特性和变化规律，对延长沥青路面的使用寿命具有重要的理论意义和现实价值[4]。

1 沥青路面传热机理

1.1 低温地区沥青路面开裂

低温地区的沥青混凝土路面普遍存在收缩裂缝破坏，而收缩裂缝主要发生在低温地区的降温过程中，尤其是在降温幅度较大的情况下。

在降温过程中，由于不同材料间收缩系数的不同，沥青混合料面层或者基层会产生不同的收缩量，而且材料的层间粘结力是存在的，结构层的变形不能自由发生，这必然导致层间摩擦阻力的产生，也就使得沥青混合料内部产生相应的温度应力。虽然沥青混合料具有粘弹塑性，其应力松弛特性使得温度应力会随着时间的增长而逐渐变小，对荷载的响应则依时间和温度而定，但如果变温速率过快而应力得不到足够时间消解，那么当温度应力所做的功累积的能量超过沥青混合料本身所容许的极限程度时， 沥青路面就会产生低温开裂[5]，导致出现沥青路面渗水、路基软化、承载能力降低等现象， 影响路面使用寿命。对于原先含有裂缝的沥青混凝土路面，其破坏現象表现得更加严重。基于此，许多学者[6-8]运用断裂力学和有限单元的方法，对荷载作用下含裂缝沥青混凝土路面结构进行了断裂分析和研究。

相关研究[9]表明，沿路面深度方向，温度变化速率随着深度增加而呈现逐渐减小的趋势，在进入基层后，温度变化速率将变得很小，说明导致沥青路面开裂的主要原因是沥青面层本身的温缩。

在施工方面，为防止路面反射裂缝等病害，常常用沥青稳定碎石作为路面基层，沥青混合料的压实对路面质量有很大的影响， 而温度是沥青混合料压实质量控制的关键因素，因此研究温度下降规律对沥青路面的影响有利于确保沥青混合料施工的路面质量控制[10]。

因此研究低温地区沥青路面的温度场对于路面的合理选材、结构设计以及施工将变得非常有意义。

1.2 沥青路面传热机理分析

沥青路面与外界环境进行热交换的方式包括： 太阳辐射、空气对流换热和空气辐射换热等方式，其方程如下：

在运用有限单元法建立分析模型的过程中， 首先根据材料的各项热力学参数分析计算路面各结构层的温度梯度分布，再将温度场作为外部荷载施加到应力计算单元上，沥青混凝土路面热力耦合平衡方程为[11]：

在计算过程中，温度场作为荷载施加于路面结构上，同时温度的改变也影响着路面材料参数的选取，材料的线膨胀系数与温度存在着函数关系。

2 计算模型

本文选取的路面结构和各项计算参数如表1、表2所示，假定各结构层的材料是连续、均匀且各向同性的线弹性体，各层层间竖向应力和位移均连续且无相对滑动。有限元模型采用三维实体单元，模型尺寸为5m×5m×3.55m。

在进行温度应力分析时，根据低温地区的气候环境特点，路表温度选取-20℃，而在计算中假定路面结构体内的基准温度为0℃，考虑到沥青路面应力作用范围的影响，假定土基3m以下不发生温度传递，即假定在计算时间内该区域不发生温度变化，是恒温绝热条件。根据路面实际受力状况，采用三维有限单元进行瞬态温度场分析，根据其温度场分布如图所示。

3 计算结果分析

为简化计算过程，有限元模型的计算周期为0.5个小时，根据有限元模型的计算结果，沥青路面在降温5小时后面层的温度场如图2所示。

根据材料第一强度理论与第三强度理论，路面材料断裂破坏的主要因素是最大拉应力？滓1或者最大切应力？子max。在实际条件下，路面的受力情况非常复杂，通过将多个方向的力等效为单个轴向的力进行分析[12]，通过材料的应力强度判断其安全性，因此也常用等效应力理论计算结构的受力状况，从而判断结构的安全性。

在路面表温度-20℃，各结构层初始温度为0℃的条件下进行温度场瞬态分析，在第5个小时末，路面结构层的等效应力分布如图3所示，由于边界效应的存在，因此模型边界上的应力存在较大的误差。

根据有限元模型的计算结果对路面内部温度场及其应力分布进行分析，得出以下结论。

①随着降温时间的增加，路面结构内部温度由上而下逐渐降低，温度应力也随着各结构层温度的降低而增大。

②温度应力沿深度方向呈现非线性变化，表面层对温度的反应迅速，在同一时刻，其温度应力比基层和土基的温度应力都要大，在计算周期内，路表降温对土基温度的影响较小。

③在表面层2cm和4cm处，温度随外界温度的降低而迅速降低，而其温度应力随温度基本成线性变化。

④温度疲劳应力是路面材料破坏的一个重要因素，在温度循环时间较短的情况下，沥青路面表面层所受的影响比基层大得多，而随着温度循环周期的增大，基层也处在较大的温度循环区间之中，应力也随之增大，基层的受影响程度也更加明显。

4 结论

本文基于有限元方法和热传学原理，对低温地区的沥青混凝土路面温度场进行建模分析计算，得出以下结论： ①根据热传学原理，在正确掌握路面的边界条件以及路面材料各参数的条件下，可以运用有限单元法对路面温度场进行分析与预估，弥补实测带来的人力、物力和时间消耗这方面的不足。②在降温条件下，沥青路面的温度应力沿深度方向呈现非线性变化，由上往下呈现递减的趋势。③沥青路面结构温度场分布规律的准确预估可为路面材料设计提供了可靠的理论支持。

参考文献：

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