樊友川武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)（WEDZ）城鄉(xiāng)建設(shè)局建設(shè)工程服務(wù)中心（430056）

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瀝青路面溫度場(chǎng)有限元數(shù)值分析

樊友川
武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)（WEDZ）城鄉(xiāng)建設(shè)局建設(shè)工程服務(wù)中心（430056）

摘要：通過(guò)有限元熱傳導(dǎo)基本方法，選取相應(yīng)典型的計(jì)算模型參數(shù)，得出了瀝青道路結(jié)構(gòu)體沿路面深度方向的溫度分布情況，并總結(jié)了其規(guī)律。

關(guān)鍵詞：瀝青路面；溫度場(chǎng)；有限元分析

路面建成投入使用以后，就經(jīng)受著自然界溫度變化的影響。許多國(guó)家也對(duì)瀝青路面和水泥路面的溫度分布狀況及其引起的溫度應(yīng)力導(dǎo)致的路面開(kāi)裂進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究。我國(guó)主要采用半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，不同的溫度對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響各異，因此需要根據(jù)不同的道路使用情況，確定作用于其上的溫度分布場(chǎng)，從而為道路結(jié)構(gòu)受力性能的準(zhǔn)確評(píng)估提供依據(jù)。

1　分析方法

路面結(jié)構(gòu)與外部熱的傳遞過(guò)程，遵循能量守恒定律，即熱力學(xué)第一定律。溫度場(chǎng)的分析包括穩(wěn)態(tài)傳熱和瞬態(tài)傳熱兩大類。計(jì)算路面結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)時(shí)，應(yīng)采用穩(wěn)態(tài)熱傳遞的計(jì)算結(jié)果作為溫度場(chǎng)計(jì)算的初始條件，但初始溫度場(chǎng)比較難確定，初始溫度場(chǎng)設(shè)為路面結(jié)構(gòu)零應(yīng)力狀態(tài)時(shí)溫度分布情況［1］。

這里采用ABAQUS軟件進(jìn)行熱分析，通常由穩(wěn)態(tài)熱分析確定瞬態(tài)熱分析的初始溫度分布，用瞬態(tài)熱分析計(jì)算出的溫度場(chǎng)作為熱荷載進(jìn)行溫度應(yīng)力分析。

2　分析模型

對(duì)層狀體系道路結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)熱分析模型，作出如下基本假設(shè)［2］：1）各結(jié)構(gòu)層為均勻、連續(xù)的各向同性體。2）不考慮路面結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的橫向分布，忽略陰面和陽(yáng)面的溫度差異。3）計(jì)算面層與基層之間的接觸熱阻。4）忽略各層材料的導(dǎo)熱系數(shù)受溫度變化的影響。

瀝青層上面層厚為4 cm、下面層厚為6 cm，半剛性基層和底基層厚度各為30 cm，平均風(fēng)速2.8 m/s，太陽(yáng)日輻射量2.7×107 mol/d·m2，實(shí)際有效日照時(shí)數(shù)為11 h。其他熱力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

由于溫度梯度一般出現(xiàn)在溫度較高的夏季，考慮到與車輛荷載效應(yīng)的疊加，因此以夏季某日典型高溫氣候及冬季某日典型低溫氣候參數(shù)分析路面的溫度分布。分析中所用的大氣溫度條件為：夏季最高氣溫為38.5℃，對(duì)應(yīng)當(dāng)天最低氣溫為29℃；冬季最高氣溫為5℃，最低氣溫為-2℃。

表1　路面溫度場(chǎng)熱力學(xué)參數(shù)

3　分析結(jié)果

路面結(jié)構(gòu)初始溫度場(chǎng)取為25℃，采用大型有限元軟件ABAQUS對(duì)有限元熱傳導(dǎo)基本方法進(jìn)行計(jì)算，分析路面結(jié)構(gòu)體沿路面深度方向的溫度分布規(guī)律，路面結(jié)構(gòu)不同時(shí)刻溫度分布如圖1。持續(xù)低溫路面結(jié)構(gòu)溫度如圖2所示。

圖1　高溫沿路面分布規(guī)律（整體）（局部）

圖2　低溫狀態(tài)不同時(shí)刻面層溫度沿深度分布規(guī)律

4　分析總結(jié)

路面結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度隨路表太陽(yáng)輻射及氣溫變化

而發(fā)生周期性變化，瀝青材料力學(xué)性能參數(shù)的變化及路面結(jié)構(gòu)層溫度應(yīng)力分布宜發(fā)生變化。

參考文獻(xiàn)：

［1］秦健，孫立軍.瀝青路面溫度場(chǎng)的分布規(guī)律［J］.公路交通科技，2006，23（8）：18- 21.

［2］單景松，郭忠印.瀝青路面溫度場(chǎng)的預(yù)估方法［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，34（5）：594- 604.