林家琛

蘭州BRT瀝青路面結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)和車轍分析

林家琛

（蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；甘肅省道路橋梁與地下工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070）

基于ABAQUS有限元軟件，建立了BRT瀝青路面溫度場(chǎng)模型和車轍計(jì)算模型，分析了不同熱物理參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)的影響以及速度對(duì)車轍形成的影響規(guī)律。研究表明，瀝青路面各結(jié)構(gòu)層溫度變化和外界溫度變化趨勢(shì)基本相同，表面層受外界環(huán)境影響變化幅度最大，其他結(jié)構(gòu)層隨著深度的增加溫度變化逐漸趨緩；增大熱容量和降低路面材料對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收率有利于降低路面結(jié)構(gòu)溫度，減少BRT瀝青路面車轍的形成；路表凹陷變形和隆起變形隨行車速度的增大而減小，且減小幅度逐漸降低。

道路工程；半剛性路面結(jié)構(gòu)；有限元分析；溫度場(chǎng)

蘭州地處高原地區(qū)，夏季高溫且日照時(shí)間長(zhǎng)，路表溫度最高可達(dá)60 ℃。

車轍作為瀝青路面結(jié)構(gòu)常見(jiàn)的病害會(huì)大大影響行車舒適度和安全性，增加路面結(jié)構(gòu)維護(hù)的難度。

姚祖康[1]提出在中國(guó)廣泛使用的半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)很容易發(fā)生車轍等早期破壞。張?zhí)m峰[2]采用數(shù)值模擬從路面結(jié)構(gòu)材料的物理性質(zhì)方面，分析了熱容量、熱傳導(dǎo)率、路面材料的熱吸收率等因素對(duì)路面結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的影響。劉一凡[3]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)溫度場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了路面結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)在不同深度下受各環(huán)境因素的影響；賈璐等人[4]基于溫度場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)合數(shù)值模擬進(jìn)行了不同路面結(jié)構(gòu)參數(shù)和熱物理參數(shù)對(duì)路面溫度場(chǎng)的敏感性分析；郭芳[5]借助ABAQUS時(shí)間硬化模型，分析了連續(xù)變溫條件下組合式瀝青路面的車轍問(wèn)題；涂義鵬[6]建立ABAQUS有限元模型，探討了環(huán)境溫度、車輛荷載和結(jié)構(gòu)層厚度對(duì)瀝青路面車轍形成的影響。

本文基于蘭州地區(qū)氣象條件和蘭州BRT瀝青路面結(jié)構(gòu)，利用ABAQUS有限元軟件分析熱物理參數(shù)對(duì)蘭州BRT路面結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的影響以及速度對(duì)車轍形成的影響。

1 三維有限元模型的建立

1.1 路面結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)

本文以蘭州BRT瀝青路面結(jié)構(gòu)建立三維有限元模型，瀝青路面結(jié)構(gòu)和材料動(dòng)態(tài)參數(shù)如表1所示。

表1 BRT瀝青路面結(jié)構(gòu)和材料動(dòng)態(tài)參數(shù)

結(jié)構(gòu)層厚度/cm動(dòng)態(tài)模量/MPa泊松比密度/（kg/m3） 細(xì)粒式粗型改性瀝青混凝土AC-13410 0000.252 400 中粒式粗型密集配瀝青混凝土AC-20511 2500.252 400 粗粒式密集配瀝青碎石ATB-2579 0000.252 400 水泥穩(wěn)定砂礫基層303 0000.252 200 石灰土底基層302 0000.252 100 路基600900.41 850

路面溫度場(chǎng)分析熱屬性參數(shù)和不同溫度下瀝青路面結(jié)構(gòu)層材料動(dòng)態(tài)參數(shù)參考文獻(xiàn)[7-8]，如表2、表3所示。

表2 熱屬性參數(shù)表

參數(shù)AC-13、AC-20、ATB25水泥穩(wěn)定砂礫石灰土土基 熱傳導(dǎo)率k/（J·m-1·h-1·℃-1）4 6805 6005 1405 616 密度ρ/（kg/m3）2 4002 2002 1001 850 熱容量C/（J·kg-1·℃-1）925911.7942.91 040 太陽(yáng)輻射吸收率αs0.9 路面發(fā)射率ε0.81 絕對(duì)零度值Tz/℃-273

1.2 溫度場(chǎng)計(jì)算模型

溫度場(chǎng)計(jì)算模型如圖1所示，依據(jù)蘭州夏季實(shí)際氣象條件，調(diào)用Fortran語(yǔ)言編寫(xiě)的子程序FILM和DFLUX實(shí)現(xiàn)“氣溫及對(duì)流熱交換”和“太陽(yáng)輻射”，“路面有效輻射”通過(guò)定義相互作用中的路面發(fā)射率來(lái)實(shí)現(xiàn)。

有限元網(wǎng)格采用局部細(xì)化數(shù)據(jù)提取位置和荷載作用區(qū)域的方式劃分，其中沿行車方向數(shù)據(jù)提取位置和荷載作用帶有限元網(wǎng)格長(zhǎng)度分別為0.04 m、0.06 m，沿道路橫斷面荷載作用帶有限元網(wǎng)格長(zhǎng)度為0.055 m，其他區(qū)域網(wǎng)格劃分相對(duì)稀疏，選取單元為8節(jié)點(diǎn)六面體DC3D8一次溫度單元。

1.3 車轍計(jì)算模型

基于溫度場(chǎng)分析模型，通過(guò)添加邊界條件建立車轍分析模型，由于荷載作用和路面結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，取1/2模型進(jìn)行分析。其中，，方向分別代表道路橫斷面、道路深度和BRT行車方向。邊界條件采用側(cè)面（方向、方向）施加對(duì)稱約束，路基地面（方向）施加固定約束[9-10]。

表3 瀝青混合料彈性參數(shù)

混合料類型溫度/℃動(dòng)態(tài)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

圖1 溫度場(chǎng)有限元網(wǎng)格劃分示意圖

由于BRT車輛軸距較長(zhǎng)，前后輪的動(dòng)力響應(yīng)不相互影響，為了縮短有限元計(jì)算時(shí)間，本文僅對(duì)后軸進(jìn)行建模分析。如圖2所示，簡(jiǎn)化后的矩形面積為0.22 m×0.32 m。采用“以靜代動(dòng)”的方法分析BRT荷載在100個(gè)工作日下的路面車轍，同時(shí)施加豎向荷載和水平荷載模擬BRT制動(dòng)過(guò)程，其中豎向荷載0.733 MPa，水平荷載0.366 5 MPa。作用位置如圖3所示。

圖2 荷載等效示意圖（單位：m）

圖3 荷載作用位置示意圖（單位：m）

2 數(shù)據(jù)分析

以上述模型為基礎(chǔ)，分別設(shè)置4個(gè)熱容量水平、太陽(yáng)輻射吸收率水平分析溫度場(chǎng)分布規(guī)律，設(shè)置10 km/h、20 km/h、30 km/h、40 km/h這4個(gè)水平分析路面車轍。計(jì)算結(jié)果如圖4所示。其中，計(jì)算溫度場(chǎng)提取輪印中心點(diǎn)及其下方各結(jié)構(gòu)層對(duì)應(yīng)點(diǎn)位數(shù)據(jù)，計(jì)算車轍提取輪印中心點(diǎn)數(shù)據(jù)。

圖4 各結(jié)構(gòu)層溫度隨時(shí)間的變化

2.1 溫度場(chǎng)分析

從圖4可以看出，瀝青路面各層溫度變化幅度各不相同，但大致有相同的規(guī)律。瀝青路面各結(jié)構(gòu)層溫度變化和外界溫度變化趨勢(shì)基本相同，表面層受外界環(huán)境影響變化幅度最大，其他結(jié)構(gòu)層隨著深度的增加溫度變化逐漸趨緩，一天之中土基溫度基本保持不變，受環(huán)境影響最小。

00：00—06：00，瀝青路面面層溫度隨著時(shí)間推移逐漸降低，且降溫幅度較小，在1 ℃左右，其他結(jié)構(gòu)層基本持平。06：00—15：00，環(huán)境溫度逐漸升高，太陽(yáng)輻射逐漸增強(qiáng)，路表溫度也隨之升高，14：00左右路面結(jié)構(gòu)達(dá)到最高溫度。隨著深度的增加，瀝青路面各結(jié)構(gòu)層溫度峰值逐漸減小，其中上面層層底、中面層層底、下面層層底最高溫度較路表最高溫度分別降低了13%、25%、35%。14：00之后路表溫度隨環(huán)境溫度降低，但由于路表溫度普遍高于其他各層溫度，因而熱量繼續(xù)從路表向下傳遞，18：00時(shí)路表溫度開(kāi)始低于面層內(nèi)部。06：00時(shí)熱容量與路面結(jié)構(gòu)溫度的關(guān)系如圖5所示。14：00時(shí)熱容量與路面結(jié)構(gòu)溫度的關(guān)系如圖6所示。

圖5 06：00時(shí)熱容量與路面結(jié)構(gòu)溫度的關(guān)系

圖6 14：00時(shí)熱容量與路面結(jié)構(gòu)溫度的關(guān)系

從圖5、圖6可以看出，06：00時(shí)，瀝青面層內(nèi)各結(jié)構(gòu)層在相同深度處，溫度隨著熱容量的增大而升高，其中當(dāng)熱容量從425～1 925 J/（kg·℃）的變化過(guò)程中，路表、上面層層底、中面層層底、下面層層底溫度分別升高0.25 ℃、0.49 ℃、0.64 ℃、0.467 ℃。14：00時(shí)，瀝青面層內(nèi)各結(jié)構(gòu)層在相同深度處，溫度隨著熱容量的增大而降低，其中當(dāng)熱容量從425～1 925 J/（kg·℃）的變化過(guò)程中，路表、上面層層底、中面層層底、下面層層底溫度分別降低5.87 ℃、9.20 ℃、10.57 ℃、7.70 ℃。太陽(yáng)輻射量、熱傳導(dǎo)率、路面反射率、風(fēng)速等條件相同時(shí)，熱容量越大，瀝青混合料升溫或降溫需要的能量越多。凌晨時(shí)，沒(méi)有太陽(yáng)輻射作用，路面結(jié)構(gòu)處于放熱狀態(tài)，瀝青混合料的熱容量越大，降溫時(shí)釋放的熱量越多，路面結(jié)構(gòu)在某一深度溫度就越高；中午時(shí)刻由于太陽(yáng)輻射，路面處于吸熱狀態(tài)，瀝青混合料的熱容量越大，路面結(jié)構(gòu)的溫度就越低。無(wú)論在凌晨時(shí)刻和中午時(shí)刻，面層熱容量的變化對(duì)面層以下結(jié)構(gòu)層的溫度場(chǎng)影響較小。

06：00時(shí)太陽(yáng)輻射吸收率與路面結(jié)構(gòu)溫度的關(guān)系如圖7所示。14：00時(shí)太陽(yáng)輻射吸收率與路面結(jié)構(gòu)溫度的關(guān)系如圖8所示。

圖7 06：00時(shí)太陽(yáng)輻射吸收率與路面結(jié)構(gòu)溫度的關(guān)系

圖8 14：00時(shí)太陽(yáng)輻射吸收率與路面結(jié)構(gòu)溫度的關(guān)系

從圖7、圖8可以看出，06：00時(shí)，路面結(jié)構(gòu)各結(jié)構(gòu)層在相同深度處，溫度隨太陽(yáng)輻射吸收率的變化較小，主要由于此時(shí)段沒(méi)有太陽(yáng)輻射。14：00時(shí)，路面各結(jié)構(gòu)層在相同深度處，隨太陽(yáng)輻射吸收率的增大而升高，太陽(yáng)輻射吸收率從0.3～0.9的變化過(guò)程中，路表、上面層層底、中面層層底、下面層層底溫度分別升高17.28 ℃、11.21 ℃、7.61 ℃、3.89 ℃。太陽(yáng)輻射吸收率對(duì)于路面結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的影響隨著深度增加而減弱，其中在路表影響最大，在面層以下各結(jié)構(gòu)層幾乎沒(méi)有影響。因此，降低路面材料對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收率有利于減少BRT瀝青路面車轍的形成，可以在路表鋪設(shè)反射涂層通過(guò)增加路面的反射率來(lái)降低路面結(jié)構(gòu)溫度。

2.2 路面車轍分析

不同速度蠕變變形對(duì)比如圖9所示。不同速度凹陷、隆起變形如圖10所示。

圖9 不同速度蠕變變形對(duì)比

圖10 不同速度凹陷、隆起變形

由圖9可知，在豎向荷載和水平荷載共同作用下，路表在荷載下方產(chǎn)生了凹陷變形，還在輪跡外側(cè)出現(xiàn)了向上的隆起變形，路表凹陷變形和隆起變形隨速度的增大而減小，且減小幅度越來(lái)越小。

由圖10可知，00：00—06：00，由于沒(méi)有BRT通行，豎向蠕變變形基本沒(méi)有變化；06：00—10：00，BRT車次逐漸增加，路面溫度逐漸增大，但面層溫度均在40 ℃左右，路表的凹陷變形緩慢增加；10：00—14：00，隨著瀝青路面結(jié)構(gòu)溫度迅速升高，BRT車次繼續(xù)增加且一直保持較高的頻次，路表的凹陷變形速度顯著增大，速度為10 km/h時(shí)在 14 h的凹陷變形為3 mm左右，速度為40 km/h時(shí)在14 h的凹陷變形較前者減小1 mm，此時(shí)路表開(kāi)始出現(xiàn)隆起變形；14：00—18：00，BRT車次始終保持最高的頻次，雖然路表溫度在14：00以后逐漸降低，但由于在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度的滯后性，路表以下溫度仍然在升高，因此此時(shí)間段凹陷變形程度最大，且隆起變形也達(dá)到最大值；18：00以后路面結(jié)構(gòu)溫度逐漸降低，BRT車次也顯著減少，凹陷變形、隆起變形逐漸趨于穩(wěn)定。

3 結(jié)論

瀝青路面各層溫度變化幅度各不相同，但大致有相同的規(guī)律。瀝青路面各結(jié)構(gòu)層溫度變化和外界溫度變化趨勢(shì)基本相同，表面層受外界環(huán)境影響變化幅度最大，其他結(jié)構(gòu)層隨著深度的增加溫度變化逐漸趨緩。瀝青面層熱容量的增大導(dǎo)致日間溫度降低且夜間溫度升高幅度較小，因此可以通過(guò)增大瀝青面層的熱容量減小日間路面結(jié)構(gòu)溫度。

降低路面材料對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收率有利于降低路面結(jié)構(gòu)溫度，減少BRT瀝青路面車轍的形成?？梢栽诼繁礓佋O(shè)反射涂層通過(guò)增加路面的反射率來(lái)降低路面結(jié)構(gòu)溫度。路表凹陷變形和隆起變形隨行車速度的增大而減小，且減小幅度逐漸減小。路表在日間溫度較高和BRT車次較多的時(shí)間段蠕變變形較明顯。

［1］姚祖康.瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］.北京：人民交通出版社，2011.

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2095－6835（2020）06－0120－03

U416.224

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.06.047

林家?。?993—），男，山西朔州人，碩士研究生，主要從事道路路基路面工程方面的科研工作。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕