兰州BRT沥青路面结构温度场和车辙分析

林家琛

兰州BRT沥青路面结构温度场和车辙分析

林家琛

（兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070；甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室，甘肃 兰州 730070）

基于ABAQUS有限元软件，建立了BRT沥青路面温度场模型和车辙计算模型，分析了不同热物理参数对温度场的影响以及速度对车辙形成的影响规律。研究表明，沥青路面各结构层温度变化和外界温度变化趋势基本相同，表面层受外界环境影响变化幅度最大，其他结构层随着深度的增加温度变化逐渐趋缓；增大热容量和降低路面材料对太阳辐射的吸收率有利于降低路面结构温度，减少BRT沥青路面车辙的形成；路表凹陷变形和隆起变形随行车速度的增大而减小，且减小幅度逐渐降低。

道路工程；半刚性路面结构；有限元分析；温度场

兰州地处高原地区，夏季高温且日照时间长，路表温度最高可达60 ℃。

车辙作为沥青路面结构常见的病害会大大影响行车舒适度和安全性，增加路面结构维护的难度。

姚祖康[1]提出在中国广泛使用的半刚性沥青路面结构很容易发生车辙等早期破坏。张兰峰[2]采用数值模拟从路面结构材料的物理性质方面，分析了热容量、热传导率、路面材料的热吸收率等因素对路面结构温度场的影响。刘一凡[3]通过现场温度场实测数据，分析了路面结构温度场在不同深度下受各环境因素的影响；贾璐等人[4]基于温度场现场试验，结合数值模拟进行了不同路面结构参数和热物理参数对路面温度场的敏感性分析；郭芳[5]借助ABAQUS时间硬化模型，分析了连续变温条件下组合式沥青路面的车辙问题；涂义鹏[6]建立ABAQUS有限元模型，探讨了环境温度、车辆荷载和结构层厚度对沥青路面车辙形成的影响。

本文基于兰州地区气象条件和兰州BRT沥青路面结构，利用ABAQUS有限元软件分析热物理参数对兰州BRT路面结构温度场的影响以及速度对车辙形成的影响。

1 三维有限元模型的建立

1.1 路面结构和材料参数

本文以兰州BRT沥青路面结构建立三维有限元模型，沥青路面结构和材料动态参数如表1所示。

表1 BRT沥青路面结构和材料动态参数

结构层厚度/cm动态模量/MPa泊松比密度/（kg/m3） 细粒式粗型改性沥青混凝土AC-13410 0000.252 400 中粒式粗型密集配沥青混凝土AC-20511 2500.252 400 粗粒式密集配沥青碎石ATB-2579 0000.252 400 水泥稳定砂砾基层303 0000.252 200 石灰土底基层302 0000.252 100 路基600900.41 850

路面温度场分析热属性参数和不同温度下沥青路面结构层材料动态参数参考文献[7-8]，如表2、表3所示。

表2 热属性参数表

参数AC-13、AC-20、ATB25水泥稳定砂砾石灰土土基 热传导率k/（J·m-1·h-1·℃-1）4 6805 6005 1405 616 密度ρ/（kg/m3）2 4002 2002 1001 850 热容量C/（J·kg-1·℃-1）925911.7942.91 040 太阳辐射吸收率αs0.9 路面发射率ε0.81 绝对零度值Tz/℃-273

1.2 温度场计算模型

温度场计算模型如图1所示，依据兰州夏季实际气象条件，调用Fortran语言编写的子程序FILM和DFLUX实现“气温及对流热交换”和“太阳辐射”，“路面有效辐射”通过定义相互作用中的路面发射率来实现。

有限元网格采用局部细化数据提取位置和荷载作用区域的方式划分，其中沿行车方向数据提取位置和荷载作用带有限元网格长度分别为0.04 m、0.06 m，沿道路横断面荷载作用带有限元网格长度为0.055 m，其他区域网格划分相对稀疏，选取单元为8节点六面体DC3D8一次温度单元。

1.3 车辙计算模型

基于温度场分析模型，通过添加边界条件建立车辙分析模型，由于荷载作用和路面结构的对称性，取1/2模型进行分析。其中，，方向分别代表道路横断面、道路深度和BRT行车方向。边界条件采用侧面（方向、方向）施加对称约束，路基地面（方向）施加固定约束[9-10]。

表3 沥青混合料弹性参数

混合料类型温度/℃动态模量/MPa泊松比 AC-132010 0000.25 353 3000.30 402 4000.35 501 7500.40 601 0000.45 AC-202011 2500.25 353 6000.30 402 7200.35 501 9200.40 601 1000.45 ATB-25209 0000.25 353 0000.30 402 0000.35 501 3000.40 607000.45

图1 温度场有限元网格划分示意图

由于BRT车辆轴距较长，前后轮的动力响应不相互影响，为了缩短有限元计算时间，本文仅对后轴进行建模分析。如图2所示，简化后的矩形面积为0.22 m×0.32 m。采用“以静代动”的方法分析BRT荷载在100个工作日下的路面车辙，同时施加竖向荷载和水平荷载模拟BRT制动过程，其中竖向荷载0.733 MPa，水平荷载0.366 5 MPa。作用位置如图3所示。

图2 荷载等效示意图（单位：m）

图3 荷载作用位置示意图（单位：m）

2 数据分析

以上述模型为基础，分别设置4个热容量水平、太阳辐射吸收率水平分析温度场分布规律，设置10 km/h、20 km/h、30 km/h、40 km/h这4个水平分析路面车辙。计算结果如图4所示。其中，计算温度场提取轮印中心点及其下方各结构层对应点位数据，计算车辙提取轮印中心点数据。

图4 各结构层温度随时间的变化

2.1 温度场分析

从图4可以看出，沥青路面各层温度变化幅度各不相同，但大致有相同的规律。沥青路面各结构层温度变化和外界温度变化趋势基本相同，表面层受外界环境影响变化幅度最大，其他结构层随着深度的增加温度变化逐渐趋缓，一天之中土基温度基本保持不变，受环境影响最小。

00：00—06：00，沥青路面面层温度随着时间推移逐渐降低，且降温幅度较小，在1 ℃左右，其他结构层基本持平。06：00—15：00，环境温度逐渐升高，太阳辐射逐渐增强，路表温度也随之升高，14：00左右路面结构达到最高温度。随着深度的增加，沥青路面各结构层温度峰值逐渐减小，其中上面层层底、中面层层底、下面层层底最高温度较路表最高温度分别降低了13%、25%、35%。14：00之后路表温度随环境温度降低，但由于路表温度普遍高于其他各层温度，因而热量继续从路表向下传递，18：00时路表温度开始低于面层内部。06：00时热容量与路面结构温度的关系如图5所示。14：00时热容量与路面结构温度的关系如图6所示。

图5 06：00时热容量与路面结构温度的关系

图6 14：00时热容量与路面结构温度的关系

从图5、图6可以看出，06：00时，沥青面层内各结构层在相同深度处，温度随着热容量的增大而升高，其中当热容量从425～1 925 J/（kg·℃）的变化过程中，路表、上面层层底、中面层层底、下面层层底温度分别升高0.25 ℃、0.49 ℃、0.64 ℃、0.467 ℃。14：00时，沥青面层内各结构层在相同深度处，温度随着热容量的增大而降低，其中当热容量从425～1 925 J/（kg·℃）的变化过程中，路表、上面层层底、中面层层底、下面层层底温度分别降低5.87 ℃、9.20 ℃、10.57 ℃、7.70 ℃。太阳辐射量、热传导率、路面反射率、风速等条件相同时，热容量越大，沥青混合料升温或降温需要的能量越多。凌晨时，没有太阳辐射作用，路面结构处于放热状态，沥青混合料的热容量越大，降温时释放的热量越多，路面结构在某一深度温度就越高；中午时刻由于太阳辐射，路面处于吸热状态，沥青混合料的热容量越大，路面结构的温度就越低。无论在凌晨时刻和中午时刻，面层热容量的变化对面层以下结构层的温度场影响较小。

06：00时太阳辐射吸收率与路面结构温度的关系如图7所示。14：00时太阳辐射吸收率与路面结构温度的关系如图8所示。

图7 06：00时太阳辐射吸收率与路面结构温度的关系

图8 14：00时太阳辐射吸收率与路面结构温度的关系

从图7、图8可以看出，06：00时，路面结构各结构层在相同深度处，温度随太阳辐射吸收率的变化较小，主要由于此时段没有太阳辐射。14：00时，路面各结构层在相同深度处，随太阳辐射吸收率的增大而升高，太阳辐射吸收率从0.3～0.9的变化过程中，路表、上面层层底、中面层层底、下面层层底温度分别升高17.28 ℃、11.21 ℃、7.61 ℃、3.89 ℃。太阳辐射吸收率对于路面结构温度场的影响随着深度增加而减弱，其中在路表影响最大，在面层以下各结构层几乎没有影响。因此，降低路面材料对太阳辐射的吸收率有利于减少BRT沥青路面车辙的形成，可以在路表铺设反射涂层通过增加路面的反射率来降低路面结构温度。

2.2 路面车辙分析

不同速度蠕变变形对比如图9所示。不同速度凹陷、隆起变形如图10所示。

图9 不同速度蠕变变形对比

图10 不同速度凹陷、隆起变形

由图9可知，在竖向荷载和水平荷载共同作用下，路表在荷载下方产生了凹陷变形，还在轮迹外侧出现了向上的隆起变形，路表凹陷变形和隆起变形随速度的增大而减小，且减小幅度越来越小。

由图10可知，00：00—06：00，由于没有BRT通行，竖向蠕变变形基本没有变化；06：00—10：00，BRT车次逐渐增加，路面温度逐渐增大，但面层温度均在40 ℃左右，路表的凹陷变形缓慢增加；10：00—14：00，随着沥青路面结构温度迅速升高，BRT车次继续增加且一直保持较高的频次，路表的凹陷变形速度显著增大，速度为10 km/h时在 14 h的凹陷变形为3 mm左右，速度为40 km/h时在14 h的凹陷变形较前者减小1 mm，此时路表开始出现隆起变形；14：00—18：00，BRT车次始终保持最高的频次，虽然路表温度在14：00以后逐渐降低，但由于在路面结构内部温度的滞后性，路表以下温度仍然在升高，因此此时间段凹陷变形程度最大，且隆起变形也达到最大值；18：00以后路面结构温度逐渐降低，BRT车次也显著减少，凹陷变形、隆起变形逐渐趋于稳定。

3 结论

沥青路面各层温度变化幅度各不相同，但大致有相同的规律。沥青路面各结构层温度变化和外界温度变化趋势基本相同，表面层受外界环境影响变化幅度最大，其他结构层随着深度的增加温度变化逐渐趋缓。沥青面层热容量的增大导致日间温度降低且夜间温度升高幅度较小，因此可以通过增大沥青面层的热容量减小日间路面结构温度。

降低路面材料对太阳辐射的吸收率有利于降低路面结构温度，减少BRT沥青路面车辙的形成。可以在路表铺设反射涂层通过增加路面的反射率来降低路面结构温度。路表凹陷变形和隆起变形随行车速度的增大而减小，且减小幅度逐渐减小。路表在日间温度较高和BRT车次较多的时间段蠕变变形较明显。

［1］姚祖康.沥青路面结构设计［M］.北京：人民交通出版社，2011.

［2］张兰峰.移动荷载和连续变温条件下沥青路面结构力学响应研究［D］.西安：长安大学，2018.

［3］刘一凡.温度与荷载作用下沥青路面受力特性研究［D］.长沙：长沙理工大学，2011.

［4］贾璐，孙立军，黄立葵.沥青路面温度场数值预估模型［J］.同济大学学报（自然科学版），2007（8）：1039-1043.

［5］郭芳.基于时间硬化蠕变模型的组合式基层沥青路面结构车辙分析［J］.公路工程，2015（6）：214-217，222.

［6］涂义鹏.考虑温度场的沥青路面车辙变化特征分析研究［D］.长沙：长沙理工大学，2014.

［7］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，2014.

［8］肖川.典型沥青路面动力行为及其结构组合优化研究［D］.成都：西南交通大学，2014.

［9］李凌林，黄晓明.水平移动荷载作用下沥青路面的永久变形［J］.华南理工大学学报（自然科学版），2011，39（3）：125-129.

［10］OGOUBI C A，YI Q T，XINGYE Z，et al.Numerical investigation of the mechanical response of semi-rigid base asphalt pavement under traffic Load and nonlinear temperature gradient effect［J］.Construction and Building Materials，2020（2）：235.

2095－6835（2020）06－0120－03

U416.224

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.06.047

林家琛（1993—），男，山西朔州人，硕士研究生，主要从事道路路基路面工程方面的科研工作。

〔编辑：严丽琴〕