基于ABAQUS有限元软件的沥青路面温度场分布规律研究

谌及时，唐启文

(1.长沙市宁乡经济技术开发区管理委员会，长沙 410600;2.江西恒信工程检测集团有限公司，江西 南昌 330013)

0 引 言

随着温度的变化，沥青混合料的力学性能及行为随之产生变化，尤其在夏季高温条件下，沥青混合料劲度模量降低，在荷载作用下会发生车辙、推挤等病害。准确预测沥青路面温度场分布情况，可以为道路设计提供最不利参数，从而优化结构层及材料设计组合，保障沥青混合料在使用过程中的高温稳定性及低温抗裂性，同时对分析和减少路面结构病害提供理论依据，具有非常重要的意义。

1 沥青路面温度场分析的基本理论

2 沥青路面温度场有限元模型

2.1 路面结构及材料参数

选取沥青路面结构为：上面层为SMA-13，中面层为AC-20，下面层为AC-25，基层为水泥稳定碎石。

通过查找资料，得到当地风速为3.0 m/s，并将测得的夏季1 d 24 h代表温度如表1所示，材料热参数如表2所示

表1 夏季1 d 24 h代表气温

表2 路面温度场热属性参数

3 计算结果及沥青路面温度场分析

将模型提交计算并得到路面结构在不同时刻温度场分布情况，其中沥青路面在12∶00、24∶00二个时间段内不同位置处温度分布云图如图1、图2所示，可以看出，随着时间的增加，路面结构层温度逐渐向下传递。

图1 12∶00路面温度分布图

图2 24∶00路面温度分布图

分析路面不同结构层在24 h内温度变化规律如图3所示，由图可知，路面内部温度场随着外界气温的变化而变化，这种影响主要发生在沥青面层和基层部位。距离路表越近，结构温度随气温变化越明显，结构层温度变化随着距离路边深度增加而降低。路表温度日波动最大，约为30 ℃，中面层和下面层顶部温度波动依次约为22 ℃、15 ℃，而水泥稳定碎石基层顶部气温波动约为10 ℃，基层底部(土基顶部)气温波动最小，约为0.21 ℃，可以看出，在低温条件下，沥青路面低温开裂主要是由于沥青面层低温收缩导致。路表最高温度出现在14∶00左右，最低温度出现在5∶00左右，随着路面深度的增加，各结构层顶部最高温度出现一定的延迟，且个结构层顶与上面层顶部相比延迟相位差逐渐增加。对于周期变化的气温，其对沥青路面的影响深度月为40～50 cm，且上面层的波动最剧烈。图4为一天内代表时刻距离路面以下不同深度处的温度变化规律，由图4可知，中午12∶00时随着距离路面深度的增加，温差最大，而凌晨4∶00时时温差最小。

图3 路面各结构层温度变化规律

图4 路面以下不同深度温度变化曲线

4 计算结果与现场实测数据对比

将有限元模型计算出的沥青路面温度场分布与第三章现场实测路面温度场分布对比如图5所示，从图5中可以看出，利用有限元计算得到的沥青路面各结构层顶部温度与现场实测各结构层峰值温度、温度变化趋势以及不同结构层最高温度出现时刻的相位差基本吻合，从而可以验证沥青路面温度场有限元计算模型的正确性与适用性，为接下来进行沥青路面车辙计算提供可靠的基础。

图5 各测点计算温度与实测温度对比

5 小 结

通过ABAQUS有限元法对沥青路面结构在日周期变化气温条件下的温度场分布规律进行模拟计算，并与现场实测路面结构层温度场分布进行对比验证，可以得出以下结论：

(1)一天当中路面表层最高气温出现在14∶00左右，最低气温出现在6∶00左右，随着路面结构深度的增加，结构最高温度逐渐下降，而最低温度却逐渐增加。

(2)随着路面结构层深度的增加，各结构层温度变化规律大体相同，但是最高气温出现时间相对于路面表层而言逐渐推迟，且相位差逐渐增加。

(3)气温变化对于路面结构的影响主要在基层及以上层位，对于土基且距离表面越近，气温变化幅度越大，昼夜温差越明显。而气温变化对于土基而言影响较小，随着气温的规律变化，土基温度几乎为水平趋势，沥青路面面层结构是在温度变化过程中产生车辙、推移等病害的主要部位。