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        溫度-荷載耦合場與瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)的影響關(guān)系

        2021-01-28 11:02:38徐奕菲
        山東交通科技 2020年6期
        關(guān)鍵詞:瀝青路面有限元基層

        徐奕菲

        (南通市公路事業(yè)發(fā)展中心,江蘇 南通 226001)

        引言

        瀝青路面是我國各等級公路中應(yīng)用最為廣泛的路面結(jié)構(gòu)。瀝青面層承受著汽車荷載、溫度荷載以及地基與自重的共同作用,其力學(xué)狀態(tài)是很復(fù)雜的。賈璐和孫立軍等[1-2]對瀝青路面溫度場模型進(jìn)行預(yù)估,分析了自然環(huán)境下瀝青路面溫度分布規(guī)律。岳福青和楊春風(fēng)[3]對瀝青路面裂縫開裂與溫度關(guān)系模型進(jìn)行了研究。王永勝和孔永健[4]從路面使用性能出發(fā),分析瀝青路面材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計對瀝青使用性能的影響。以往的研究,大多將瀝青路面簡化為平面問題來考慮,并未考慮瀝青路面在重力、溫度、地基等耦合作用下的力學(xué)狀態(tài)。

        1 瀝青路面溫度場

        瀝青路面結(jié)構(gòu)的溫度熱傳遞形式主要有熱輻射、對流傳熱、熱傳導(dǎo)三種[1,5-7]。瀝青路面受太陽照射,一部分太陽輻射直接被路面吸收,使得路面溫度上升。這部分不依賴于任何介質(zhì)直接被路面吸收的太陽能,即熱輻射。由于熱輻射的存在,導(dǎo)致路面與路面上層空氣產(chǎn)生溫度差。溫度差使得路面與周圍空氣出現(xiàn)對流傳熱現(xiàn)象。而路面上層和下層存在溫度差,導(dǎo)致路面熱量向下層傳遞,即熱傳導(dǎo)。

        瀝青路面層內(nèi)部之間的熱量傳遞符合Fourier定律[7]:

        式中:q—熱流密度,W/m2;k—導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·℃)。

        瀝青混和料作為一種溫度敏感材料,其熱工參數(shù)與路面內(nèi)溫度有關(guān)。路面熱平衡方程:

        式中:T—路面溫度,℃;ε—輻射率;h—對流交換系數(shù)。

        由式(2)可知,瀝青路面溫度場問題是高度非線性的。對于瀝青路面溫度場的分析,通常為了降低計算成本,將其簡化為一維或二維問題來考慮。為滿足溫度與荷載的耦合,進(jìn)一步研究瀝青路面溫度場問題,考慮通過三維仿真對瀝青路面溫度-荷載耦合問題進(jìn)行分析。

        2 有限元模型

        2.1 有限元模型

        瀝青路面溫度主要沿厚度方向存在差異,各層橫向與縱向溫度差別不大。建立2 m×2 m瀝青路面有限元模型,土基厚度為2 m,各結(jié)構(gòu)層參數(shù)[8-9]見表1。

        表1 路面結(jié)構(gòu)層參數(shù)

        每日最高溫度主要在11∶00—16∶00,假定這段時間內(nèi)瀝青路面表面溫度恒定為45 ℃,各層初始溫度為10 ℃。對瀝青路面在這段時間內(nèi)的溫度分布進(jìn)行模擬,并考慮自重、基礎(chǔ)對瀝青路面的作用。瀝青路面有限元模型見圖1。

        圖1 瀝青路面有限元模型

        為提高計算效率,減小計算成本,并在不改變所研究問題本質(zhì)特征的前提下,對瀝青路面模型做相應(yīng)假設(shè)[10-11]:(1)瀝青路面各結(jié)構(gòu)層為均勻、各項同性,且滿足小變形條件。(2)瀝青路面各結(jié)構(gòu)層間溫度連續(xù)。(3)瀝青路面縱向與橫向尺寸遠(yuǎn)大于其厚度,故可以認(rèn)為在瀝青路面同一層,各點應(yīng)力相同。

        3 結(jié)果分析

        3.1 實驗對比

        為說明有限元方法的可靠性,對文獻(xiàn)[9]的試驗進(jìn)行仿真分析,結(jié)果與試驗結(jié)果對比見圖2。顯示仿真結(jié)果與試驗結(jié)果基本吻合,說明所采用的方法是可靠的。

        圖2 有限元結(jié)果與試驗結(jié)果對比

        3.2 溫度場與應(yīng)力場

        3.2.1 溫度場變化

        不同時刻瀝青路面各結(jié)構(gòu)層頂部溫度,見圖3。可知,路面溫度從上到下依次遞減。隨著時間推移,各層溫度逐漸增大,增加的幅度逐漸減緩。土基溫度變化較小,穩(wěn)定在10~11 ℃左右,說明深度到達(dá)土基時,溫度基本不變。

        圖3 路面各結(jié)構(gòu)層溫度變化

        3.2.2 應(yīng)力場變化

        路面各結(jié)構(gòu)層頂應(yīng)力隨時間變化,見圖4??芍?,隨著溫度升高,各層應(yīng)力出現(xiàn)減小的現(xiàn)象??赡芤驗槌跏紩r刻熱量大部分集中在上面層,導(dǎo)致各層變形差較大。由于層與層之間存在抑制作用,故變形差越大,應(yīng)力也越大。隨著溫度上升,各層溫度差逐漸減小,變形趨于統(tǒng)一,故應(yīng)力也出現(xiàn)降低。

        圖4 路面各結(jié)構(gòu)層應(yīng)力

        3.3 各結(jié)構(gòu)層參數(shù)對路面溫度場的影響

        為進(jìn)一步了解瀝青路面各結(jié)構(gòu)層對路面溫度場分布的影響,建立表2所示的不同結(jié)構(gòu)層厚度瀝青路面,對比相同工況下,瀝青路面的溫度分布與結(jié)構(gòu)層厚度的關(guān)系。

        表2 瀝青路面結(jié)構(gòu)層厚度/cm

        3.3.1 下面層厚度不變

        下層面厚度不變時,瀝青路面溫度分布情況,見圖5??芍旅鎸雍穸炔蛔?,上面層、中面層厚度變化時,上面層越薄,則中面層頂?shù)臏囟仍礁撸粚?yīng)下面層頂、基層頂?shù)臏囟炔顒e不大。三種路面類型土基頂溫度變化不大,基本穩(wěn)定在初始溫度。

        3.3.2 中面層厚度不變

        當(dāng)中面層厚度相同時,路面溫度分布規(guī)律見圖6??芍?,上面層厚度越小,則對應(yīng)中面層頂溫度越高;下面層厚度越小,對應(yīng)基層頂?shù)臏囟纫苍礁摺?/p>

        圖5 瀝青路面溫度分布(下面層厚度不變)

        3.3.3 上面層厚度不變

        上面層厚度一定,各層溫度分布隨時間的變化規(guī)律,見圖7。可知,上面層厚度相同時,其它層頂溫度差別并不大,說明面層溫度分布主要與上面層厚度有關(guān)。

        3.3.4 基層厚度變化

        對比類型1、10、11可知,見圖8。當(dāng)上面層結(jié)構(gòu)相同時,基層厚度變化對于瀝青路面的溫度分布影響并不明顯,說明瀝青路面溫度分布主要受面層參數(shù)的影響。

        圖6 瀝青路面溫度分布(中面層厚度不變)

        圖7 瀝青路面溫度分布(上面層厚度不變)

        圖8 瀝青路面溫度分布(面層厚度不變)

        分析可知:(1)瀝青路面溫度在面層、基層、土基的分布有很大區(qū)別。大部分熱量被面層吸收,且上面層的厚度對面層整體溫度分布有很大影響。上面層厚度較小時,路表熱量能快速傳遞至整個面層,使面層升溫較快。(2)沿路面厚度方向熱量傳遞逐漸減弱,當(dāng)?shù)竭_(dá)一定深度后,熱量基本不再傳遞,故沿路面厚度方向,越往下對瀝青路面溫度分布影響越?。粸r青為溫度敏感材料,其導(dǎo)熱系數(shù)要高于基層,因此熱量在面層間傳遞比在面層和基層間傳遞地更快。(3)基層溫度分布除了受上面層厚度影響,主要還受下面層厚度影響。下面層厚度越大,則能傳遞到基層的熱量越少。

        4 結(jié)語

        通過建立多種結(jié)構(gòu)類型瀝青路面實體模型,比較分析各瀝青路面在相同溫度-荷載耦合場作用下的力學(xué)響應(yīng),結(jié)果表明:(1)瀝青路面升溫過程中,初始狀態(tài)時,面層變形差較大,溫度應(yīng)力較高。隨著面層整體溫度升高,變形差減小,溫度應(yīng)力降低。(2)上面層厚度對面層溫度分布影響較大。(3)土基厚度對瀝青路面溫度分布無明顯影響。瀝青結(jié)構(gòu)路面溫度主要在面層與基層間產(chǎn)生變化,土基溫度基本不變。

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