周期性变温条件下气温和太阳辐射对沥青路面温度场的影响分析

作者:张树强;李坤 刊名:城市建设理论研究(电子版) 上传者:张蔓莉

【摘要】如今,路面破坏成为人们普遍关注的问题,沥青路面不可避免地会受到周围环境和气候变化的影响,而温度的变化是引起路面破坏一个很重要的因素,所以能够合理的计算出路面温度场变得尤为必要。按照传热学和气象学的基本原理,对周期性变温条件下沥青路面的温度场进行了理论推导,并采用ABAQUS有限元软件模拟连续变温条件下沥青路面的温度场,分析了不同工况下气温和太阳辐射对沥青路面温度场的影响程度。结果表明,气温和太阳辐射对沥青路面温度场都有较大的影响,其中气温的影响最为显著。

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周期性变温条件下气温和太阳辐射 对沥青路面温度场的影响分析 张树强 1 ,李坤 2 (1. 中铁十四局四公司 广西省百色市田东县思林镇良余村粮站中铁十四局一工区项目部 531504; 2 石家庄铁道大学土木工程学院,河北 石家庄 050043) 摘要:如今,路面破坏成为人们普遍关注的问题,沥青路面不可避免地会受到周围环境 和气候变化的影响,而温度的变化是引起路面破坏一个很重要的因素,所以能够合理的计算 出路面温度场变得尤为必要。按照传热学和气象学的基本原理,对周期性变温条件下沥青路 面的温度场进行了理论推导,并采用 ABAQUS 有限元软件模拟连续变温条件下沥青路面的 温度场,分析了不同工况下气温和太阳辐射对沥青路面温度场的影响程度。结果表明,气温 和太阳辐射对沥青路面温度场都有较大的影响,其中气温的影响最为显著。 关键词:周期性变温条件 温度场 沥青路面 ABAQUS 1 影响沥青路面温度分布的因素 影响路面温度场的因素可分为两类,即外部因素和内部因素。外部因素主要包括气温、 太阳辐射、相对湿度、风速等气候因素;内部因素包括路面结构的层次组合以及路面材料的 热学参数等。沥青路面处于自然环境中,同时受到内外因素的共同影响,从而引起路面结构 体的温度呈周期性变化。研究表明,在诸多外部因素中,气温和太阳辐射对沥青路面温度场 的影响最大。太阳辐射与天空辐射的能量一部分被路表反射,另一部分则被吸收并转变为热 能,这部分热能与外界气温相叠加,由此产生的可观的路表温度,沿路面深度方向向温度较 低处传导。而其他因素,如风速、云量、降雨等都以气温和太阳辐射部分体现出来。 1.1 太阳辐射的影响 由于太阳辐射的作用,使得大气温度在昼夜之间产生明显的差异,并且呈现出周期性的 变化特征。太阳辐射的这种周期性变化规律对路面结构温度场的影响可以近似地用周期性变 化的边界条件描述。根据 Barber[1]、严作人[2]等的研究成果,太阳辐射 q(t)的日变化过程可 采用以下函数近似表示 ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ ≤<+ +≤≤−− −<≤ = 24 2 120 2 12 2 12)12(cos 2 1200 )( 0 tc ctctmq ct tq ω (1) 式中:c为实际有效日照时数,h; 0q 为中午最大辐射, mQq 131.00 = , c m 12 = (Q 为日太阳辐射总量,J/m 2 );ω为角频率, 24/π2=ω ,rad。 由于上式在计算温度场时会出现跳跃的间断点,所以需将其展开为级数形式,根据 Fourier级数的相关原理,可将上式展开为 q(t)= 12 )12(cos 2 1 0 −+∑ ∞ = tkaa k k π (2) 式中 πm qa 00 2 = ; ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ ++ + mm km km q 22 )sin(10 ππ π , mk = =ka ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ − − ++ + m km kmm km km q 2 )sin(1 2 )sin(10 ππ π , mk ≠ 。 1.2 气温及对流热交换的影响 空气温度的变化主要是由太阳辐射和地表辐射造成的,根据相关的气象资料分析,可以 得到我国各地正常天气时气温周期性日变化规律:气温在 14时左右达到最高,在 5:00~6:00 时降至最低。气温变化的周期性及非对称性,可以用三角函数的线性组合来拟合[3]: [ ])(2sin14.0)(sin96.0 00 ttttTTT maa −+−+= ωω (3) 式中: aT 为日平均气温,℃, aT = )(2 1

参考文献

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