沥青混凝土路面温度场数值分析.pdf

2 0 1 1年第 1 2期 铁道建筑 Ra i l wa y En g i ne e r i n g 1 41 文 章编 号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 1 ) 1 2 - 0 1 4 1 0 2 沥青混凝土路面温度场数值分析 陈 小 燕 ， 刘 小 文 ( 南 昌大学 建 筑工 程学 院 ， 江西 南 昌3 3 0 0 3 1 ) 摘 要 ： 采 用三 维模 型 ， 对夏 日全天 温度 变化 下路 面结 构层 温度场 分布 及不 同降温速 率下 沥青路 面温度 场 分布进行 了分析 。结果表 明： 地表 以下 0 4 m深度 内( 即沥青混凝 土面层 ) 温度场受到外界温度影响 大， 其下各结构层温度场 变化不明显 ； 对同一结构层 ， 特别是 面层 ， 地表温度降幅越大， 路 面层顶底 面的 温度 变化 以及路 面层产 生 的温度 应 力也越 大 ； 初 始 温度 越 高， 各结 构层 温度 也越 高 ， 但 各 结构 层 温度 差 与初 始 温度 关 系不明显 。 关键 词 ： 沥青 混凝 土路 面 温度 场 中图分 类号 ： U 4 1 6 2 1 7 文 献标 识码 ： A 裂缝 在 沥青路 面 中 非 常 常见 ， 根据 裂 缝 产 生 的原 因， 可把裂缝分为三类 ： 即强度裂缝 、 温度胀缩裂缝 、 结 构 和施工裂缝 ； 也可简单地将裂缝 分为荷载型裂缝和 非荷载型裂缝两类。前者是 由于荷载影 响导致沥青路 面 出现裂缝 ， 主要是 荷 载引起 的疲 劳开 裂 ； 后者 主要 是 由于温度变化导致沥青路面的胀缩产生裂缝。在南方 地 区， 冬天气温通常都不是很低 ， 因此 ， 很少产生冻胀 开裂 ， 但在夏天 ， 由于昼夜温差大或者天气突变， 气温 急降， 也很可能产生较大温差 ， 从而引起 沥青混凝土收 缩裂缝 。但 目前研究南方夏天路面结构层温度场 分布规律的著述相对较少 ， 因此 ， 本文 旨在采用有限元 法对南方地区在夏 日全天和温度急降情况下结构层温 度变化规律予 以分析。 图 1 模型剖面 图( 单位 ： e m) 图 2网格剖分图 1 有 限元分析模型及参数 2 计算及分析 结果 采用三维热分析模型分析路堤沥青混凝土路面结 构层的温度场分 布。路面各结构 层热力学参数 见表 1 。沿路面方向长取 1 0 m， 横剖面上两侧边坡坡 比取 1 ： 3， 路堤高度 4 m， 地基取 3 I T I 深 。模型的单元类型 选择三维热学单元 S o l i d 8 7 ， 模型横断面尺寸见 图 1 ， 典型模型的单元网格见图 2 。 表 1 路面各结构层热 力学 参数 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 0 3 1 5； 修 回 日期 ： 2 0 1 1 - 0 9 0 6 作者简介 ： 陈小燕 ( 1 9 8 l 一) ， 女 ， 湖北黄梅人 ， 硕士研究生 。 2 1 夏 天 1 d温度 变化 下路 面结构 层温度 场分 布 假定 夏 天 1 d地 面温度 变化 如表 2所示 。 表 2夏天 1 d地面温度变化 项 目 时 刻 u： uu z：uu 4：u u O： UU ： uu 1 0： UU J z： uU J 4：U0 IO：L u l ： UU 2U： L ZZ：UU 2 4： UU a c 2 3 4 l 9 3 l 7 4 l 9 6 2 6 l 3 4 3 4 0 8 4 3 O 4l l 3 7 0 3 2 4 2 8 0 2 3 4 温度场分析中， 以 1 d的地面温度变化作为边界 条件 ， 在两侧坡面及路表面施加地面温度 ； 在地基底面 施加恒定 的地温 ， 取 1 9， 其它面为绝热面。 图 3为路面体不 同位置处 随时间变化 的温度场。 从图 3可知 ， 路面体 内的温度 场随着外界路 面气温的 周期变化而改变 ， 但这种影响主要发生在沥青面层和 上基层内， 即路表层很 浅的深度 内， 且 随着深度 的增 加 ， 温度的变化速率下 降。路表 的温度变化率明显大 1 4 2 铁道建筑 于面层内部和面层底部 的温度变化率。而下基层的温 度场随外界气温的变化 已经不明显。路表温度的日波 动最 大 ， 约 为 2 6 ； 路表 以下 5 c m( 即面层底部 ) 温 度 的日波动量约为 1 8 8 c I = ； 上基层底部温度的 日波动量 约为 7； 下基层底部温度的 日波动量仅为 0 4 4。 这从一个侧面说明， 沥青路面 的低温缩裂主要是受沥 青 面层本 身温 缩影 响 。 =：=絮莩器唇 器 、 琴 =：=丰萋昼糯 、一 一一 ， =一一一一二 、 ： ： 。 。一 0 2 4 6 8 1 0 l 2 1 4 1 6 1 8 2 0 2 2 2 4 时刻 图 3 道路各结构层在 1 d内的温度变化 图 4为 1 d内具代表性的时刻路面以下不同深度 处温度场的分布 。从 图 4可知， 路面不 同深度处在 中 路面以下深度 c m ( a ) 初始温度4 3 路面以下深度 c m ( c ) 初始温度3 3 C 午 1 4 ： O 0外界高温时温差最大 ， 在夜间4 ： o 0外界低温 时温 差相 对较小 。 温度 C 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 O 4 5 0 鑫 0 l 篷 0 3 墓 。 一4 0 5 图 4路面以下不 同深度处温度变化 2 2 不 同降温 速率 下沥青 路面温 度场 分布 在高温季节 ， 沥青路面在太阳的直射下 ， 面层温度 高达 4 3 。 因此 ， 本 文 选 用 最 高 的 路 面 初 始 温 度 为 4 3 ， 如骤 降暴 雨 ， 路 面温 度 将 急 剧 降低 。现 以 5 为间隔取 4种不同的初始温度 ， 分别为 4 3， 3 8 ， 3 3， 2 8； 每种初始温度下取 降温速率为 2 h ， 5 c 二 h和 1 0 h三种进行 温度 场分析 ( 见 图 5 ) 。 路面 以下深度 c m f b ) 初始温度3 8 路面 以下深度 c m f d ) 初始温度2 8 图 5 初始温度为 4 3 ， 3 8 ， 3 3和 2 8时不同深度 温度分布 从图 5看 出， 在同一降幅下， 路面层顶底面的温度 变化最 大 ， 上基层 及 下 基层 温 度 变 化不 明显 。对 同 一 结构层， 特别是面层 ， 降幅越 大， 路面层顶底面的温度 变化也大。可以推断 ， 降幅越大 ， 路面层引起的温度应 力也越大。初始温度越大 ， 各结构层温度也越大 ， 但各 结构层温度差与初始温度关系不明显。 3 结论 路面体内的温度场随着外界路面气温的周期变化 而改变 ， 但这种影响主要发生在路表 以下 0 4 i n很浅 的深度内， 随着深度的增加 ， 温度 的变化速率下降。路 表的温度变化率明显大于面层 内部和面层底部的温度 变化率 ， 而下基层的温度场随外界气温的变化 已经不 明显 。 对同一结构层 ， 特别是面层 ， 降幅越大， 路面层顶 底面的温度变化也大 ， 可 以推断， 降幅越大 ， 路面层 引 起的温度应力也越大。初始温度越大， 各结构层温度 也越大， 但各结构层温度差与初始温度关系不明显。 参 考 文 献 1 刘彦光 ， 孟繁宏 ， 张增科 道路纵 向裂缝病 害治理 J 公路 交通科技 ， 2 0 0 4 ， 2 1 ( 5 ) ： 5 1 5 2 2 程园 ， 王记平 半 刚性沥青 混凝 土路 面裂缝 的成 因及 处理 J 河北交通科 技 ， 2 0 0 6 ， 3 ( 3 ) ： 3 5 3 7 3 高欣华 沥青混凝 土路 面裂缝的成 因及防治 J 山西建筑 ， 2 0 1 0 ， 3 6 ( 1 9 ) ： 2 6 7 - 2 7 0 4 李雪平 ， 王捷 关于高速公路 沥青 昆 凝 土路面若干 问题 的思 考 J 公路 ， 2 0 1 0 ( 9 ) ： 1 3 1 7 ( 责任 审编 白敏华) u 。 ， 憾赠