不同季节影响下复合道面力学响应分析

2024-02-24郭成超张顺杰杨晓东闫卫红

城市道桥与防洪 2024年1期

郭成超，张顺杰，杨晓东，闫卫红，4

（1.郑州大学水利与土木工程学院，河南郑州 450001；2.中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津市 300074；3.中山大学土木工程学院，广东广州 510275；4.河南省机场集团有限公司，河南郑州 451163）

0 引言

沥青道面在使用过程中，会受到飞机荷载和温度荷载的共同作用，其中温度对于道面的受力有着十分重要的影响，所以研究道面在温度影响下的力学响应是十分必要的。目前国内外学者对于道路温度场进行了许多研究。Chundi Si 等[1]通过沥青路面建立有限元模型，研究了路面在荷载和外部环境因素共同作用下的动态特性，对道路不同结构层的受力进行分析。国内周兴业等[2]以半刚性基层和全厚式沥青路面为研究对象，观测了其在2017 年全年的温度场状况和力学状况，得出了温度和路面弯沉、应变等力学指标的关系模型。李盛等[3]通过建立带缝状态下的复合路面热力耦合模型，研究了复合路面在不同因素作用下的力学响应，得出了路面开裂的演变规律。赵玉壁等[4]依托实际工程，对BRT 沥青路面进行建模分析，得出了路面在热力耦合作用下的变形规律。陈嘉祺等[5]通过分析道路温度场的影响因素，结合现场实验情况，建立了道路温度场预估模型。易富等[6]通过研究建立了沥青道路热平衡方程，并利用ADINA 模拟了路面在热力耦合下的变形规律。

综上，目前国内外学者对道路温度场进行了许多研究，但对于不同季节时复合道面在热力耦合作用下的力学性能研究较少。基于此，文章针对中原地区机场复合道面结构，建立了道面三维有限元模型，对复合道面在不同季节下的温度场分布和力学性能进行分析。

1 模型建立

1.1 基本假设

根据研究[7]，在建立温度场计算模型前，为了简化模拟计算条件，需要对模拟进行如下假设：（1）假定道面结构材料为均质各向同性；（2）假定道面各结构层之间为完全接触；（3）假定热流仅沿道面深度方向一维传递。

1.2 材料参数

结合机场道面相关研究[8]，确立机场道面材料参数，建立复合道面有限元模型。参数如表1 所示。

表1 机场道面材料参数

1.3 模型参数

1.3.1 模型尺寸和分析步建立

参考研究[8]，选取九块板模型进行计算，混凝土板尺寸为5 m×5 m，板间接缝为2 cm，所以道面尺寸为15.04 m×15.04 m。在进行温度场分析时，建立稳态分析和瞬态分析两种分析步，其中稳态分析无实际意义，仅为后续瞬态分析提供温度场热分析。

1.3.2 网格划分

在模型的网格划分过程中，为保证受力的均匀和计算精度，对加载区域和计算分析区域进行了合理的加密。

1.4 气象参数

气象参数是分析道路温度场变化的重要参数之一，文章依据中原地区气象特征，选取了2021 年中6月和1 月某一天作为分析道面温度场的气象条件，具体参数见表2、表3。

表2 2021 年6 月某天中原地区气温表

表3 2021 年1 月某天中原地区气温

2 模拟结果分析

为了方便研究道面内部温度场情况，建立了垂直于道面方向的温度数据提取路径，对道面不同深度、不同时刻的温度场变化情况进行分析。以6 月为例，温度路径提取出的数据如图1 所示。

图1 不同时刻道面结构温度分布图

根据图1 可知，道面结构层内部在不同时刻时温度是不断变化的，但外界温度所能影响的范围在0.56 m 以内，在道面结构深处，温度变化并不明显。所以对道面0.56 m 范围内的结构层进行温度提取，以研究复合道面温度场的变化规律。具体可见图2、图3 所示。

图2 6 月道面不同深度温度变化图

图3 1 月道面不同深度温度变化图

根据图2、图3 可知，5 时之前道面温度处于下降状态，之后开始逐渐上升，其中面层温度增长速率最快，在13 时达到顶。在到达温度峰值后，道面温度逐渐下降，由于温度的滞后性，道面下部温度下降速率小于面层，出现其他结构层温度逐渐高于面层的现象。

从图2、图3 可以看出，道面不同深度处温度变化趋势相似，和大气温度相比，面层最高温度值远大于气温峰值，但随着深度的增加，温度峰值逐渐递减，并且出现时间也逐渐延迟，这是因为结构层材料对于温度的传递具有消减作用，才使得道面深处的温度峰值低于道面表层。

3 热力耦合模拟及数据验证

3.1 监测系统建立

通过前期研究，在机场跑道中选取了4 个监控断面，对机场道面进行全方位连续监测。监测传感器采用沥青应变计和混凝土应变计，主要用来测量沥青加铺层底拉应变和混凝土层拉应变。这种埋入式传感器主要根据张力弦原理制造，利用频率作为输出信号，抗干扰能力强，并且传感器内部有计算芯片，自动对测量数据进行换算，减少人工换算误差。

此次传感器布设位置位于混凝土表层，由于传感器数量较多，传统开槽机器速度较慢，所以采用圆形打孔机进行辅助切槽。在传感器放置后，需要对传感器进行固定，并针对不同传感器类型选择相应材料进行回填，如混凝土应变计切槽需要选用C40 混凝土回填。在回填后，需要对混凝土板表层铺设抗裂贴，防止开裂。

3.2 热力耦合模型建立

在温度场模型的基础上，结合项目工况，建立道面热力耦合模型，以B737-800 机型为分析对象。分析道面在热力耦合作用下的力学响应。根据研究[9]，通过等效原则将轮印模型进行简化，机型具体参数如表4 所示。

表4 B737-800 参数表

3.3 模拟结果分析及数据验证

根据机场监测系统的监测数据，将提取出的道面应变信息与模拟数据进行对比，分析如下图4、图5 所示。

图4 夏季应变对比分析图

图5 冬季应变对比分析图

从图4、图5 中可以看出，在夏季时，沥青层底实测横纵拉应变分别为355.67 和163.95，混凝土层的横纵压应变最大为44.83 和21.88；在冬季时，沥青层底实测横纵拉应变分别为296.45 和88.28，混凝土层的横纵压应变最大为11.62 和5.69。由数据可知，在不同季节时，道面在相同机型作用下所产生的变形不同，说明温度对于道面的受力是有影响的，尤其对于混凝土来说，冬季时所产生的应变值比夏季产生的减少约74%，变化十分明显。

通过对比模拟数据和传感器实测数据，可以看出二者的变化趋势相同，二者之间的应变差值也相对较小，验证了模型的准确性。