沥青路面温度场影响因素分析

作者:张荫成;刘豪斌;闫强;李平; 刊名:筑路机械与施工机械化 上传者:石炳茹

【摘要】为分析温度场对沥青路面的影响,依托新郑高速的气温数据,采用ABAQUS有限元分析软件,建立了夏季沥青路面温度场模型,研究了路面结构深度与太阳辐射时间对路面温度场的影响,通过变化材料热物理参数研究路面温度场随材料热物理参数变化的规律。结果表明:路面结构对环境温度的变化有消减作用;路面结构内部温度响应受环境温度影响,同时具有衰减性与滞后性;路面温度随导热系数、比热容的增大而降低,却随导温系数的增大而升高;材料热物理参数中导温系数对路面温度场的影响最大,比热容的影响最小,导热系数介于中间。

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0 引 言沥青路面除承受行车荷载之外,还受温度、阳光辐射、风等外界因素的影响。沥青是一种感温性很强的材料,外界因素中的温度对沥青路面早期病害及抗车辙性能影响较大,而中国道路设计规范中只考虑了荷载条件,忽略了温度这一重要因素。因此,研究沥青路面温度场对掌握沥青路面病害规律具有 重要的实际意义。有学者指出,温度场分布特征与路面结构的厚度关系不大,气温对路表温度的影响低于太阳辐射。Williamson[1]基于南非地区气候条件特征,通过计算机软件进行数据模拟,得到了南非路面温度场预估方程。Christision等[2]利用数学分析方法建立了路面温度场在低温状态下的预估模型。Hallin等[3]提出路表热气流是影响路面温度的主要原因,且路面结构中的最高温度发生在路表下方2cm处。严作人[4]在传热学原理的基础上推导出适用于路面的热传导方程。徐世法[5]借助回归分析法研究了路面温度的影响条件,指出路面温度不仅受平均气温与路表温度的影响,还应考虑日最高气温与日最低气温;并进一步提出了路面温度的计算公式。孙立军等借鉴统计法原理对中国不同地区的气象资料进行整理分类,并观测试验路段的实际气候数据,提出了适用于沥青路面的温度场预估模型。关宏信等[6]借助黏弹性理论,通过自主编制的有限元程序计算了沥青路面在温度荷载作用下的应力状态。现有研究多着眼于沥青路面温度场预估,然而沥青路面温度场受地域影响较大,且材料的热物理参数一般采用估算或依据经验获取,这势必影响分析结果的精确性。因此结合实测气候数据,对影响沥青路面结构温度场热材料的物理参数进行研究,有助于把握温度以及热材料物理参数对沥青路面的影响程度,成果具有理论及实践意义。1 温度场理论及模型参数选择1.1 温度场相关理论在太阳辐射、气温、热对流及路面有效辐射的影响下,沥青路面形成自路表方向向下逐渐延伸的路面结构内部温度场。1.1.1 太阳辐射对温度场的影响根据辐射理论,太阳辐射是短波辐射,在辐射过程中受到各种环境影响。假设q为晴天时太阳辐射的能量,则太阳辐射在日间的变化过程可用函数q(t)近似表示为q(t)=0 0≤t<12-b2q0cos(mω)(t-12) 12-b2≤t≤12+b20 12+b2<t≤烅烄烆24(1)式中:q0为中午最大太阳辐射,q0=0.131mQ,m=12/c;Q为日太阳辐射总量(J·m-2);b为实际有效日照时间(h);ω为角频率,ω=2π/24rad。可以看出,受制于余弦函数自身特征,式(1)存在明显断点,对实际计算造成困扰。根据Fourier方程将式(1)展开。q(t)=a02+∑"k=1αkcoskπ(t-12)12(2)式中:α0=2q0mπ。αk=q0π1m+ksin(m+k)π2m+π2mk=mq0π1m+ksin(m+k)π2m+1m-ksin(m-k)π2[]mk≠烅烄烆m太阳辐射的能量不能够被路表全部吸收,路表实际吸收的太阳辐射能量qs为qs=αsq (3)式中:αs为路表在太阳辐射下的能量吸收率,本文取0.9。1.1.2 气温及对流热交换的影响大气温度随太阳辐射的变化呈现出一定的周期性,可采用严作人研究成果进行拟合。Ta=T-a+Tm[0.96sinω(t-t0)+0.14sin(2ω)(t-t0)](4)式中:T-a为日平均气温(℃),T-a=12(Tmaxa+Tmina);Tm为日气温变化幅度(℃),Tm=12(Tmaxa-Tmina),Tmaxa、Tmina分别为日最高与最低气温(℃);t0为初相位,t0=3;起点设为早晨6点,在实际计算时采用每小时进行计算;ω为

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