暴雨温度骤降下沥青路面有限元分析

张云龙，丁 婕，张晓阳，沈文峰

(1.湖南科技大学 土木工程学院,湘潭 411201;2. 福建省泉州市市政工程管理处，泉州 362000)



暴雨温度骤降下沥青路面有限元分析

张云龙1，丁 婕1，张晓阳2，沈文峰2

(1.湖南科技大学 土木工程学院,湘潭 411201;2. 福建省泉州市市政工程管理处，泉州 362000)

基于热弹性层状理论，采用ANSYS建立沥青路面三维有限元模型，对暴雨温度骤降情况下沥青路面温度作用和荷载作用进行耦合分析，研究该环境影响下沥青路面力学响应规律的变化，并将结果与高温作用下沥青路面响应规律比较.结果表明沥青路面结构在受到暴雨作用温度骤降情况下，沥青路面竖向变形值、竖向压应力变小；沥青路面路表由压应力变为拉应力，并使沥青层层底拉应力减小；暴雨骤降使沥青路面最大剪应力增大.

沥青路面；ANSYS；温度荷载耦合；力学响应规律变化

0 序 言

沥青路面结构在温度的作用下的开裂主要分为两类：温度疲劳开裂，路面受到反复高低温作用下的疲劳开裂；温缩开裂，在天气骤然变化时，沥青路面结构温度场急剧变化引起的开裂[1].在夏季沥青路面温度较高，在第五章温度场分析中可知，泉州市区沥青路面在所示气温下可达50 ℃，气温升高时，沥青路面路表温度甚至高达60 ℃以上.泉州市夏季高温多雨，在夏季骤降暴雨条件下，沥青路面层表面温度在短时间内降低20～30 ℃左右[2].因此有必要研究在骤然降温的条件下沥青路面结构力学响应规律的变化.

1 水温作用对混合料弹性模量影响研究

沥青混合料静态模量是沥青混合料的重要材料性能参数，同时也是沥青路面结构设计不可或缺的材料参数.研究在水和温度作用下沥青混合料静态模量变化情况，有助于研究水和温度对沥青路面结构层材料的影响以及结构力学响应变化规律，为数值分析提供参考数据.

本次试验按照《沥青以及沥青混合料试验规程》中的T0704-2011沥青混合料试件制作(静压法)来制作试验所需的尺寸为直径100 mm±2.0 mm，高度为100 mm±2.0 mm的圆柱体沥青混合料试件[3].并对混合料试件做以下处理：依据试验温度15～40 ℃的不同将试件分为六组，每5 ℃为一组.在每一组中分别浸泡2～12 h，每2 h做一组.然后进行单轴压缩试验.由于篇幅有限，试验数据较多，静态回弹模量的试验结果以某一试验结果为例，根据试验结果，绘制温度、水、弹性模量的关系图如图1所示.

图1 相同温度下，浸泡时间与弹性模量关系图

由试验结果可知，在相同温度条件下，浸泡时间与弹性模量成幂函数关系，y=ax-b，式中：a,b是与试验相关系数；在浸泡8 h之前弹性模量的减小速率较大，在8 h后弹性模量的减小趋势变小.在水对沥青膜的剥落过程中，前期的剥落速率较快，在剥落稳定后速率减小，弹性模量损失减小至趋于定值，完成剥落过程.

在相同的浸泡时间条件下，温度与弹性模量成指数关系，y=ax-bx式中：a,b是与试验相关系数；在温度达到30 ℃以后，弹性模量的减小趋势明显，温度越高弹性模量损失越大,如图2所示.

图2 相同浸泡时间下，温度与弹性模量关系图

2 沥青路面结构暴雨降温下有限元分析

2.1 计算采用的理论

沥青路面在力学性质上属于非线性弹-黏-塑性体.目前沥青混凝土路面温度应力的研究主要有一维粘弹性理论体系和热弹性层状体系理论[4].考虑到行驶车轮作用的瞬时性，在路面结构产生的黏-塑性变形量很小，所以对于厚度较大，强度较高的高等级路面，将其视为线弹性，并应用线弹性层状体系理论进行分析计算.

基于热线弹性层状体系理论进行计算对有限元分析模型做如下基本假定：(1)沥青层各结构层为均匀、连续的各向同性的热弹性体，满足小变形条件；(2)不考虑温度作用下对温度收缩系数和泊松比的影响，也不随加载时间变化发生影响，将温缩系数与泊松比视为常数；(3)忽略接触热阻，路面各层材料之间结合紧密，忽略层间温度热阻，热流连续；(4)忽略热传导与温度应力之间的耦合效应.

2.2 计算方法

在进行热荷载作用下的道路结构温度应力分析时，ANSYS分析方法可以分为直接耦合法分析和间接耦合法分析[5].间接耦合法是按照顺序对相关耦合场进行两次或更多次分析.将第一次场分析的结果作为荷载施加在第二次分析中，以此实现多场的耦合.直接耦合场分析采用的单元包含多个必须的自由度，建立耦合场矩阵方程，通过求解该方程对结果进行一次计算.当有多个物理场，并且物理场之间有相应依赖关系时，适用直接耦合法进行求解[6].间接耦合法只考虑单场单元，不用进行多次迭代计算，计算简单.而直接耦合法每节点自由度较多，矩阵方程庞大，耗费机时多.综上原因，本文采用间接耦合法分析沥青路面结构的温度应力.

2.3 材料参数、边界条件

研究夏季高温天气下突然刮风下雨，温度骤降情况下沥青路面结构力学响应的变化规律.因此本文假设从起风到雨停历时6 h，起始时间为中午14时.风速随时间线性变化，对流换热系数也随时间变化，根据时间步长风速以及对流换热系数随时间变化如表1所示.

表1 风速、对流系数随时间变化

为了方便计算，本文不考虑雨水对路面温度场的影响.根据文献[7]本文采用降温速度为5 ℃/h.近地空气温度如表3所示.

表2 近地空气温

基于试验结果，考虑水作用对沥青混合料弹性模量的影响，对各结构层的物理参数取值如表2所示.

表3 沥青路面结构物理参数表

2.4 计算结果及分析

将单独行车荷载视为荷载工况①，高温荷载耦合作用视为荷载工况②，暴雨骤然降温视为荷载工况③，三种荷载工况的计算结果如下：

2.4.1 竖向变形值计算结果

图3 竖向变形值值沿深度分布

由表3、图3可知，在暴雨温度骤降情况下，沥青路面结构的竖向变形值最大值出现在AC-20C层底，距路表100 mm处，最大值为63.53(0.01 mm), 100 mm深度以后，竖向变形值逐渐减小；在高温作用下的最大值距路表100 mm处，最大值为65.87(0.01 mm)；表明在暴雨温度骤降情况下竖向变形值变小.

2.4.2 最大拉应力计算结果

图4 最大拉应力沿深度分布规律

由图4可知，在暴雨温度骤降情况下最大拉应力在AC-13C层内先减小后增大，在AC-20C层内最大拉应力一直减小；在ATB-25层内最大拉应力先减小后增大，在沥青层层底拉应力达到最大，其最大值为86.98 kPa.在高温作用下沥青路面路表为压应力，而沥青层层底值最大，最大值为89.46 kPa.表明在暴雨温度骤降情况下沥青层层底最大值变小，而路表变为拉应力.

2.4.3 竖向压应力计算结果

图5 竖向压应力沿深度分布

由图5可知，在暴雨温度骤降情况下的竖向压应力在3 cm内逐渐减小，3 cm后逐渐增大，最大值在ATB-25层内距路表14 cm处，最大值为159.59 kPa，14 cm后压应力逐渐减小；在高温作用下沥青路面最大压应力在距路表14 cm处，最大值为161.9 kPa.表明在暴雨温度骤降情况下最大压应力变小.

2.4.4 剪应力计算结果

由图6可知，在暴雨温度骤降情况下最大剪应力出现在距路表6 cm处，即AC-20C沥青层层内，最大值为143.73 kPa；在高温作用下剪应力在距路表6 cm处，最大值为139.4 kPa；表明在暴雨温度骤降情况下最大剪应力增大.

图6 剪应力沿深度分布图

3 结 论

(1)在相同温度条件下，浸泡时间与弹性模量成幂函数关系，y=ax-b，式中：a,b是与试验相关系数；在相同的浸泡时间条件下，温度与弹性模量成指数关系y=ae-bx，式中：a，b是与试验相关系数.

(2)在暴雨温度骤降情况下，竖向变形值变化规律未变，但竖向变形值由65.87(0.01 mm)减小为63.53(0.01 mm).

(3)在高温作用下路表为压应力，在暴雨温度骤降情况下路表变为拉应力；沥青层层底最大拉应力值由89.46 kPa减小为86.98 kPa；

(4)在暴雨温度骤降情况下，最大压应力变化规律未变，但最大压应力值由161.9 kPa减小为159.59 kPa；

(5)在暴雨温度骤降情况下最大剪应力，剪应力变化规律未变，但在暴雨温度骤降情况下最大剪应力值由139.4 kPa增大为143.73 kPa.

[1] 刘继忠.云南省高海拔地区沥青路面温度场及温度应力数值计算分析[D].重庆交通大学,2009.

[2] 孙孝峰.骤然降温下的沥青路面温度场变化[J]. 中南公路工程,2007,32(3)：113-115.

[3] 公路工程沥青及沥青混合料试验规程[M].人民交通出版社,2011.

[4] 吴赣昌.半刚性基层路面温度应力分析[M].科学出版社,1995.

[5] 王桂茵.低温状态下沥青路面结构应力应变特性研究[D].长安大学硕士论文,2011.

[6] 王国强.实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践[M].西安:西北工业大学出版社，2000.

[7] 沙庆林.高等级公路半刚性基层沥青路面[M].北京:人民交通出版社, 1999.

The Finite Element Analysis of Asphalt Pavement Under Rainstorm Temperature Dips

ZHANG Yun-long1,DING Jie1,ZHANG Xiao-yang2,SHEN Wen-feng2

(1.College of Civil Engineering，Hunan University of Science and Technology， Xiangtan 411201, China;2. Municipal Engineering Administration Department of Quanzhou ，Quanzhou 362000, China)

Based on the thermal elastic layered theory and using ANSYS to establish the three-dimensional finite element model of asphalt pavement, coupled analysis on the temperature of asphalt pavement and load effect caused by storm and temperature drop is done.The changes of asphalt pavement under the influence of the environment are studied, and the result is compared with high temperature response of asphalt pavement. The results show that when the asphalt pavement structure subjects to heavy rain which causes the sharpdrop of the temperature,the vertical deformation and vertical stress become smaller; asphalt road surface by the compressive stress becomes tensile stress; the bottom layers of asphalt become small;asphalt pavement maximum shear stress increases.

asphalt pavement;ANSYS;temperature load coupling;change of mechanical response

2014-05-26

福建省泉州市市政工程管理处项目(D11269);湖南科技大学研究生创新基金项目(S120010).

张云龙(1986-)，男，硕士研究生，研究方向：沥青路面结构.

U416.217

A

1671-119X(2015)01-0086-04