張云龍，丁 婕，張曉陽，沈文峰

(1.湖南科技大學 土木工程學院,湘潭 411201;2. 福建省泉州市市政工程管理處，泉州 362000)

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暴雨溫度驟降下瀝青路面有限元分析

張云龍1，丁 婕1，張曉陽2，沈文峰2

(1.湖南科技大學 土木工程學院,湘潭 411201;2. 福建省泉州市市政工程管理處，泉州 362000)

基于熱彈性層狀理論，采用ANSYS建立瀝青路面三維有限元模型，對暴雨溫度驟降情況下瀝青路面溫度作用和荷載作用進行耦合分析，研究該環(huán)境影響下瀝青路面力學響應規(guī)律的變化，并將結果與高溫作用下瀝青路面響應規(guī)律比較.結果表明瀝青路面結構在受到暴雨作用溫度驟降情況下，瀝青路面豎向變形值、豎向壓應力變??；瀝青路面路表由壓應力變?yōu)槔瓚?，并使瀝青層層底拉應力減??；暴雨驟降使瀝青路面最大剪應力增大.

瀝青路面；ANSYS；溫度荷載耦合；力學響應規(guī)律變化

0 序 言

瀝青路面結構在溫度的作用下的開裂主要分為兩類：溫度疲勞開裂，路面受到反復高低溫作用下的疲勞開裂；溫縮開裂，在天氣驟然變化時，瀝青路面結構溫度場急劇變化引起的開裂[1].在夏季瀝青路面溫度較高，在第五章溫度場分析中可知，泉州市區(qū)瀝青路面在所示氣溫下可達50 ℃，氣溫升高時，瀝青路面路表溫度甚至高達60 ℃以上.泉州市夏季高溫多雨，在夏季驟降暴雨條件下，瀝青路面層表面溫度在短時間內降低20～30 ℃左右[2].因此有必要研究在驟然降溫的條件下瀝青路面結構力學響應規(guī)律的變化.

1 水溫作用對混合料彈性模量影響研究

瀝青混合料靜態(tài)模量是瀝青混合料的重要材料性能參數(shù)，同時也是瀝青路面結構設計不可或缺的材料參數(shù).研究在水和溫度作用下瀝青混合料靜態(tài)模量變化情況，有助于研究水和溫度對瀝青路面結構層材料的影響以及結構力學響應變化規(guī)律，為數(shù)值分析提供參考數(shù)據(jù).

本次試驗按照《瀝青以及瀝青混合料試驗規(guī)程》中的T0704-2011瀝青混合料試件制作(靜壓法)來制作試驗所需的尺寸為直徑100 mm±2.0 mm，高度為100 mm±2.0 mm的圓柱體瀝青混合料試件[3].并對混合料試件做以下處理：依據(jù)試驗溫度15～40 ℃的不同將試件分為六組，每5 ℃為一組.在每一組中分別浸泡2～12 h，每2 h做一組.然后進行單軸壓縮試驗.由于篇幅有限，試驗數(shù)據(jù)較多，靜態(tài)回彈模量的試驗結果以某一試驗結果為例，根據(jù)試驗結果，繪制溫度、水、彈性模量的關系圖如圖1所示.

圖1 相同溫度下，浸泡時間與彈性模量關系圖

由試驗結果可知，在相同溫度條件下，浸泡時間與彈性模量成冪函數(shù)關系，y=ax-b，式中：a,b是與試驗相關系數(shù)；在浸泡8 h之前彈性模量的減小速率較大，在8 h后彈性模量的減小趨勢變小.在水對瀝青膜的剝落過程中，前期的剝落速率較快，在剝落穩(wěn)定后速率減小，彈性模量損失減小至趨于定值，完成剝落過程.

在相同的浸泡時間條件下，溫度與彈性模量成指數(shù)關系，y=ax-bx式中：a,b是與試驗相關系數(shù)；在溫度達到30 ℃以后，彈性模量的減小趨勢明顯，溫度越高彈性模量損失越大,如圖2所示.

圖2 相同浸泡時間下，溫度與彈性模量關系圖

2 瀝青路面結構暴雨降溫下有限元分析

2.1 計算采用的理論

瀝青路面在力學性質上屬于非線性彈-黏-塑性體.目前瀝青混凝土路面溫度應力的研究主要有一維粘彈性理論體系和熱彈性層狀體系理論[4].考慮到行駛車輪作用的瞬時性，在路面結構產(chǎn)生的黏-塑性變形量很小，所以對于厚度較大，強度較高的高等級路面，將其視為線彈性，并應用線彈性層狀體系理論進行分析計算.

基于熱線彈性層狀體系理論進行計算對有限元分析模型做如下基本假定：(1)瀝青層各結構層為均勻、連續(xù)的各向同性的熱彈性體，滿足小變形條件；(2)不考慮溫度作用下對溫度收縮系數(shù)和泊松比的影響，也不隨加載時間變化發(fā)生影響，將溫縮系數(shù)與泊松比視為常數(shù)；(3)忽略接觸熱阻，路面各層材料之間結合緊密，忽略層間溫度熱阻，熱流連續(xù)；(4)忽略熱傳導與溫度應力之間的耦合效應.

2.2 計算方法

在進行熱荷載作用下的道路結構溫度應力分析時，ANSYS分析方法可以分為直接耦合法分析和間接耦合法分析[5].間接耦合法是按照順序對相關耦合場進行兩次或更多次分析.將第一次場分析的結果作為荷載施加在第二次分析中，以此實現(xiàn)多場的耦合.直接耦合場分析采用的單元包含多個必須的自由度，建立耦合場矩陣方程，通過求解該方程對結果進行一次計算.當有多個物理場，并且物理場之間有相應依賴關系時，適用直接耦合法進行求解[6].間接耦合法只考慮單場單元，不用進行多次迭代計算，計算簡單.而直接耦合法每節(jié)點自由度較多，矩陣方程龐大，耗費機時多.綜上原因，本文采用間接耦合法分析瀝青路面結構的溫度應力.

2.3 材料參數(shù)、邊界條件

研究夏季高溫天氣下突然刮風下雨，溫度驟降情況下瀝青路面結構力學響應的變化規(guī)律.因此本文假設從起風到雨停歷時6 h，起始時間為中午14時.風速隨時間線性變化，對流換熱系數(shù)也隨時間變化，根據(jù)時間步長風速以及對流換熱系數(shù)隨時間變化如表1所示.

表1 風速、對流系數(shù)隨時間變化

為了方便計算，本文不考慮雨水對路面溫度場的影響.根據(jù)文獻[7]本文采用降溫速度為5 ℃/h.近地空氣溫度如表3所示.

表2 近地空氣溫

基于試驗結果，考慮水作用對瀝青混合料彈性模量的影響，對各結構層的物理參數(shù)取值如表2所示.

表3 瀝青路面結構物理參數(shù)表

2.4 計算結果及分析

將單獨行車荷載視為荷載工況①，高溫荷載耦合作用視為荷載工況②，暴雨驟然降溫視為荷載工況③，三種荷載工況的計算結果如下：

2.4.1 豎向變形值計算結果

圖3 豎向變形值值沿深度分布

由表3、圖3可知，在暴雨溫度驟降情況下，瀝青路面結構的豎向變形值最大值出現(xiàn)在AC-20C層底，距路表100 mm處，最大值為63.53(0.01 mm), 100 mm深度以后，豎向變形值逐漸減??；在高溫作用下的最大值距路表100 mm處，最大值為65.87(0.01 mm)；表明在暴雨溫度驟降情況下豎向變形值變小.

2.4.2 最大拉應力計算結果

圖4 最大拉應力沿深度分布規(guī)律

由圖4可知，在暴雨溫度驟降情況下最大拉應力在AC-13C層內先減小后增大，在AC-20C層內最大拉應力一直減?。辉贏TB-25層內最大拉應力先減小后增大，在瀝青層層底拉應力達到最大，其最大值為86.98 kPa.在高溫作用下瀝青路面路表為壓應力，而瀝青層層底值最大，最大值為89.46 kPa.表明在暴雨溫度驟降情況下瀝青層層底最大值變小，而路表變?yōu)槔瓚?

2.4.3 豎向壓應力計算結果

圖5 豎向壓應力沿深度分布

由圖5可知，在暴雨溫度驟降情況下的豎向壓應力在3 cm內逐漸減小，3 cm后逐漸增大，最大值在ATB-25層內距路表14 cm處，最大值為159.59 kPa，14 cm后壓應力逐漸減?。辉诟邷刈饔孟聻r青路面最大壓應力在距路表14 cm處，最大值為161.9 kPa.表明在暴雨溫度驟降情況下最大壓應力變小.

2.4.4 剪應力計算結果

由圖6可知，在暴雨溫度驟降情況下最大剪應力出現(xiàn)在距路表6 cm處，即AC-20C瀝青層層內，最大值為143.73 kPa；在高溫作用下剪應力在距路表6 cm處，最大值為139.4 kPa；表明在暴雨溫度驟降情況下最大剪應力增大.

圖6 剪應力沿深度分布圖

3 結 論

(1)在相同溫度條件下，浸泡時間與彈性模量成冪函數(shù)關系，y=ax-b，式中：a,b是與試驗相關系數(shù)；在相同的浸泡時間條件下，溫度與彈性模量成指數(shù)關系y=ae-bx，式中：a，b是與試驗相關系數(shù).

(2)在暴雨溫度驟降情況下，豎向變形值變化規(guī)律未變，但豎向變形值由65.87(0.01 mm)減小為63.53(0.01 mm).

(3)在高溫作用下路表為壓應力，在暴雨溫度驟降情況下路表變?yōu)槔瓚Γ粸r青層層底最大拉應力值由89.46 kPa減小為86.98 kPa；

(4)在暴雨溫度驟降情況下，最大壓應力變化規(guī)律未變，但最大壓應力值由161.9 kPa減小為159.59 kPa；

(5)在暴雨溫度驟降情況下最大剪應力，剪應力變化規(guī)律未變，但在暴雨溫度驟降情況下最大剪應力值由139.4 kPa增大為143.73 kPa.

[1] 劉繼忠.云南省高海拔地區(qū)瀝青路面溫度場及溫度應力數(shù)值計算分析[D].重慶交通大學,2009.

[2] 孫孝峰.驟然降溫下的瀝青路面溫度場變化[J]. 中南公路工程,2007,32(3)：113-115.

[3] 公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程[M].人民交通出版社,2011.

[4] 吳贛昌.半剛性基層路面溫度應力分析[M].科學出版社,1995.

[5] 王桂茵.低溫狀態(tài)下瀝青路面結構應力應變特性研究[D].長安大學碩士論文,2011.

[6] 王國強.實用工程數(shù)值模擬技術及其在ANSYS上的實踐[M].西安:西北工業(yè)大學出版社，2000.

[7] 沙慶林.高等級公路半剛性基層瀝青路面[M].北京:人民交通出版社, 1999.

The Finite Element Analysis of Asphalt Pavement Under Rainstorm Temperature Dips

ZHANG Yun-long1,DING Jie1,ZHANG Xiao-yang2,SHEN Wen-feng2

(1.College of Civil Engineering，Hunan University of Science and Technology， Xiangtan 411201, China;2. Municipal Engineering Administration Department of Quanzhou ，Quanzhou 362000, China)

Based on the thermal elastic layered theory and using ANSYS to establish the three-dimensional finite element model of asphalt pavement, coupled analysis on the temperature of asphalt pavement and load effect caused by storm and temperature drop is done.The changes of asphalt pavement under the influence of the environment are studied, and the result is compared with high temperature response of asphalt pavement. The results show that when the asphalt pavement structure subjects to heavy rain which causes the sharpdrop of the temperature,the vertical deformation and vertical stress become smaller; asphalt road surface by the compressive stress becomes tensile stress; the bottom layers of asphalt become small;asphalt pavement maximum shear stress increases.

asphalt pavement;ANSYS;temperature load coupling;change of mechanical response

2014-05-26

福建省泉州市市政工程管理處項目(D11269);湖南科技大學研究生創(chuàng)新基金項目(S120010).

張云龍(1986-)，男，碩士研究生，研究方向：瀝青路面結構.

U416.217

A

1671-119X(2015)01-0086-04