基于连续变温的沥青路面温度应力分析

作者:郝培文;张兰峰; 刊名:西安建筑科技大学学报(自然科学版) 上传者:于美英

【摘要】为了合理评价温度对沥青路面结构应力影响,选取冬季3种典型连续变化日低温(T1、T2、T3)工况,考虑弹性模量及温缩系数随温度变化的特性,在此基础上建立低温下沥青路面三维有限元模型,分析降温、弹性模量及温缩系数参数对沥青路面温度应力的影响规律.研究结果表明:在保持沥青面层弹性模量和温缩系数不变时,温度从T1~T2、T2~T3降低过程中,沥青面层各层位温度应力都有显著增加,说明温度降低对沥青路面层的温度应力增加有重要作用.在相同温度场作用下,沥青面层模量及面层温缩系数与沥青面层各层温度应力呈线性关系,当这两个参数增加时,温度应力随着线性增大.所以道路结构设计过程中应充分考虑面层模量及面层温缩系数变化对温度应力的影响.

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沥青路面早期开裂、车辙等破坏都与路面温度场变化有密切关系.路面结构完全处在自然环境中,经受着持续变化的外界环境因素(如外界气温、太阳辐射、地面反射等)的影响[1],沥青混合料作为一种热敏感性材料,力学特性受到温度的显著影响[2].在冬季低温情况下,寒冷地区具有低温、日均温差大的典型特征,低温和冰冻容易导致路面产生裂缝.对沥青路面温度场以及温度应力的研究已有众多,艾长发[3]以ABAQUS为计算平台,研究了高寒地区沥青路面结构温度特性,结合正交试验方法及滞后衰减气温模型,进行了气象参数对沥青路面温度场影响及其参数敏感性分析,讨论了结构类型、结构层厚度及层间状态等因素对路面温度场及温度应力分布状况的影响.马骉[4]考虑了沥青路面温度沿深度方向的非均匀性分布和温度对沥青混凝土模量的影响,计算分析了不同面层初始裂缝深度和不同气温下的路面结构温度应力与应力强度因子变化情况.宋允玲[5]考虑了温度变化对沥青混凝土路面结构受力的影响,并应用于路面结构设计中.本着对路面结构实际温度场及温度应力状况充分模拟的目的,利用ABAQUS有限元软件建立典型半刚性沥青路面结构三维模型,对模型施加空气温度、太阳辐射等温度荷载,采用连续变温的日温度循环,考虑沥青混凝土模量、温缩系数随温度变化的特性,从影响沥青混凝土路面低温温度应力的因素出发,探究降温、弹性模量、温缩系数对温度应力的影响及变化规律.1沥青路面温度场1.1温度场基本理论温度的时间域和空间域的分布,称为温度场,可以表示为T=T(x,y,z,t)(1)物体内某一点的温度是其空间与时间的函数.当温度不随时间的变化而变化时,Tt=0,式(1)变为T=T(x,y,z),称为稳态温度场.当温度沿着z方向保持恒定时,Tz=0,式(1)变为T=T(x,y,t),称为平面温度场.同一时刻,温度场内温度相同的各点组成所谓的等温面.沿着等温面切线方向,温度保持不变.而沿着等温面法向,温度变化率最大,可以用温度梯度来表示该最大温度变化率,温度梯度的定义为ΔT=n0Tn=iTx+jTy+kTz(2)式中:n0是单位矢量,沿等温面法线方向指向增温方向.单位时间内通过等温面单位面积的热量称为热流密度q∶q=dQdt/S式中:Q为通过等温面的热量,S为等温面面积.某一点的最大热流密度矢量沿着等温面法线且指向降温方向.由热传导定律可知,热密度流与温度梯度成正比而方向相反,即:q=dQdt/S=-λΔT(3)式中,λ为导热系数.1.2周期性变温下的温度场理论路面除了承受车辆荷载作用外,还要经受气候周期性变化.道路结构温度包括不同时间、不同深度的温度.通过太阳辐射热量和边界的热辐射、与周围空气的对流、内部的热传导进行能量交换.每天最高最低气温、一天的有效日照时间、一天内的辐射总量以及风速等,都是影响温度场的主要因素.把温度场作为荷载加载到路面结构中后,温度的变化就会引起路面结构应力场以及应变场的变化.由于太阳辐射的作用,环境温度呈周期性变化,路面温度场模型中,可以采用周期性变化的边界条件近似描述这种变化.在路面温度场预估时,由于作用于路面模型的边界条件具有周期变化的特性,那么其温度场解也将呈现出周期性的变化[6].2温度场模型建立2.1模型建立基本假设在进行温度应力分析时,以粘弹性层状体系理论作为道路结构温度应力数值模拟理论基础,建立三维有限元模型,并提出如下假定:(1)路面层部分为均匀、各向同性的粘弹性材料;其余的各层均视为线弹性;(2)道路各结构层间结合紧密,位移连续,层间温度及热流连续;(3)忽略路面温度场的横向分布,认为

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