一种沥青混凝土路面温度循环应力计算方法

摘要

本发明提供一种沥青混凝土路面温度循环应力计算方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、分析温度对沥青混凝土力学性能的影响；步骤二、建立沥青混凝土路面三维有限元模型，分析沥青混凝土路面三维有限元模型日温度效应；步骤三、分析沥青混凝土路面循环温度效应。本发明从温度循环着手，对区域气候变化中的温度做研究，通过分析温度对路面材料特性的影响，来分析区域气候变化下路面的受力特征，并借助ANSYS有限元软件，对路面结构层进行分析，进而得出温度对路面结构的影响。本发明通过研究路面温度循环应力为沥青路面设计参数的发展完善及服役性能演变提供了理论参考，具有重要的潜在应用前景。

说明书

技术领域

本发明属于土木工程技术领域，具体涉及一种以区域气候温度变化为背景研究沥青路面温度循环应力的方法。

背景技术

在我国，路面因一次性降温而引起开裂的情况很少，大部分的温度裂缝是因为温度的循环作用而产生的。很多温度裂缝产生时的环境温度并不算很低。因温度对路面的长期反复作用，即使是没有开裂的路面，沥青混合料也会因温度应力累积，抗拉强度会逐渐降低，并且当沥青的老化劲度提高时，会导致应力松弛性能降低，最终对路面产生破坏。

现有技术中有利用线弹性多层理论进行的研究，通过引入路面温度和车辆荷载随时间反复变化的曲线，研究了每一个设计周期(1小时)内沥青路面的交通诱导及温度诱导所产生的应力应变问题，得出气候变化对路面设计的影响。还有通过对极端气候的变化研究，运用系统动力学方法，分析气候变化对沥青路面的影响。

目前有关极端气候(如极端低温、极端高温等)对路面影响的研究已经有很多，而区域气候下，温度循环对路面影响的研究却不多。因我国大部分地区四季分明，年温差大，气候作为某地区多年时段大气的一般状态，可以作为研究大气温度对路面影响的依据。因此有必要从温度循环着手，对区域气候中的温度做研究，通过分析温度对路面材料特性的影响，来分析区域气候下路面的受力特征，并借助有限元软件，对路面结构层进行分析，进而得出温度对路面结构的影响，为沥青路面设计参数的发展完善及服役性能演变提供理论参考。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明为解决现有技术中存在的问题采用的技术方案如下：

一种沥青混凝土路面温度循环应力计算方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、分析温度对沥青混凝土力学性能的影响；

步骤二、建立沥青混凝土路面三维有限元模型，分析沥青混凝土路面三维有限元模型日温度效应；

步骤三、分析沥青混凝土路面循环温度效应。

所述步骤一中温度对沥青混凝土力学性能的影响分析为：分析温度对沥青混凝土材料的弹性模量和泊松比的影响，忽略材料其他性能参数对沥青混凝土路面的影响。

所述步骤二具体建模过程为：选取研究路面，根据不同时间段里面的结构参数、荷载参数和边界条件，运用ANSYS软件建立三维整体模型，并将模型进行网格划分，再对模型进行整体计算，分析数据获得夏(冬)季日温度效应。

所述结构参数为复合式沥青路面结构层每层所用材料、材料厚度、材料弹性模量和泊松比。

所述荷载参数为宏观模型中所施加的荷载类型、荷载大小和荷载的集合位置，所述荷载类型以温度场形式施加。

所述边界条件为三维宏观模型中所施加的边界条件，具体边界条件按路面结构的受力和变形特性施加。

所述步骤二中分析路面夏季日温度效应时，以三角函数线性组合来模拟辐射日气温过程，进一步模拟得到路面路表温度，根据得到的路表温度数据用ANSYS软件对路面温度场及温度应力进行计算，分析计算数据得到路面夏季日温度效应，分析路面冬季日温度效应时，不考虑太阳辐射。

所述步骤三中，在某地区某时间段，查询天气网获取相关温度数据，并通过模拟得到路面路表温度，在此基础上对路面温度场和温度应力进行计算，分析数据得到月循环和年循环温度效应。

所述步骤三中，月循环温度效应的分析方法为：采用七月份温度数据来计算夏季循环温度应力、应变，以应变作为验算指标来研究夏季温度月循环；采取一月份温度数据来计算冬季循环温度应力，以应力作为验算指标来研究冬季温度月循环。

所述步骤三中，年循环温度效应的分析方法为：取某地区某年十二个月的月平均温度数据来计算沥青路面温度应力，对路面上面层的年温度应力循环进行模拟。

本发明具有如下优点：

本发明从温度循环着手，对区域气候变化中的温度做研究，通过分析温度对路面材料特性的影响，来分析区域气候变化下路面的受力特征，并借助ANSYS有限元软件，对路面结构层进行分析，进而得出温度对路面结构的影响。对温度循环应力的分析表明，夏季温度应变较大，应力较小，以受压为主，因此夏季不会产生温度裂缝，但易形成车辙。而冬季温度应力较大，应变较小，且以受拉为主，所以更易产生温度裂缝。本发明通过研究路面温度循环应力为沥青路面设计参数的发展完善及服役性能演变提供了理论参考，具有重要的潜在应用前景。

附图说明

图1为本发明的温度循环应力计算分析流程图；

图2为沥青层弹性模量与温度的关系；

图3为沥青混凝土泊松比随温度变化图；

图4为夏季沥青路面各层温度应变图；

图5为夏季升温对路面产生的温度应变对比图；

图6为夏季升温对路面产生的温度剪应力对比图；

图7为夏季升温对路面产生的水平温度应力对比图；

图8为冬季升温对路面产生的水平温度应力对比图；

图9为冬季升温对路面产生的温度应力对比图；

图10为夏季路表温度三维示意图；

图11为夏季路表温度三维示意图；

图12为2011年沥青路面年水平温度应力变化图；

图13为沥青路面温度应力年循环图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明，如图1所示，一种沥青混凝土路面温度循环应力计算方法，包括如下步骤：

步骤一：分析温度对沥青混凝土力学性能的影响；

温度对材料的影响主要表现在对材料的弹性模量、泊松比等特性上，本专利主要从这两个特性来分析温度变化对沥青混凝土力学性质的影响，忽略材料其他特性对沥青路面的影响，通过相关实验数据拟合得到弹模、泊松比与温度的关系。

步骤二：建立沥青混凝土路面三维有限元模型，分析沥青混凝土路面三维有限元模型日温度效应；

选取研究路面，所选路面的结构参数如表1所示：

表1沥青路面结构参数

不同时间段路面材料的弹性模量、泊松比取值由步骤一得到。模型采用solid70三维热实体单元，该单元可以进行瞬态热分析，且该单元在进行结构分析时，可被一个等效的结构单元(如solid45)所代替，原有的热参数被解释成相似的流体流动参数完成单元转化。网格划分时采用映射划分将整个单元进行划分，然后对土基以上部分进行网格细划分，提高分析的精度。温度荷载边界条件：n层弹性层状体系只考虑温度沿深度和路宽的方向传递，而忽略温度沿道路长度方向的传导。在路面以下深度h_i处的热传导方程可以简化为二维的热传导方程：

其中：λ_i(T_i)＝λ_0i(1+a_iT_i)，i＝1,2…n

路表直接与环境相接触，太阳的辐射、对流和热交换是地表温度变化的主要原因，路面温度是大气温度、太阳辐射、路面太阳能吸收率和风速共同作用的结果，上边界条件可表示为：

式中：

F为路面有效辐射；

α_x为路表对太阳辐射的总吸收率，对于沥青路面，其取值为0.8～0.9；

路面结构温度场还受到土基深处的地温影响，下边界条件为：

T_n|_x＝H＝T_Q+T_1n+T_2nexp(-ys)sin[ω_n(t_n+252)-ys](3)

式中：

T_n为地温(℃)；

TQ为一年中路面因吸收太阳辐射能而产生的增温(℃)；

为一天中太阳辐射在道路深处产生的平均积温(℃)；

D_F为一年中路面因有效辐射而损失的热量系数，DF≈0.5；

D_L为一年中路面的蒸发耗热系数，DL≈0.7；

T_1n为年平均气温，

T_2n为年气温振幅，

ω_n为角频率，ω_n＝2π/365(rad)；t_n为第n天；

Y为计算点距路表的深度(m)；

α为土的导温系数，一般取α＝0.003(0.0025～0.004)(m²/h)。

层间热传递层状路面相邻两层间上下层温度T_i、T_i+1和热流qi、q_i+1是连续的，其边界条件可表示为：

此外，解还必须满足有界性条件，即：

|T(x,y,t)|≤M(常数)，当x→∞时，

B为复合散热系数，单位时间单位面积路表与大气对流和辐射换热之和；

通过ANSYS软件对模型进行整体计算，分析数据获得夏(冬)季日温度效应。分析路面夏季日温度效应时，利用气温变化的周期性以及非对称性以三角函数线性组合来模拟辐射日气温过程，进一步模拟得到路面路表温度，根据得到的路表温度数据用ANSYS软件对路面温度场及温度应力进行计算，分析计算数据得到路面夏季日温度效应，分析路面冬季日温度效应时，不考虑太阳辐射。

步骤三：分析沥青混凝土路面循环温度效应。

以某地区某段时间为例，查询天气网获得相关温度数据并通过模拟得到路面路表温度。路面温度应力计算采用间接耦合方式，即：先计算路面结构温度场，然后将其作为荷载加载在路面上，形成温度荷载，即可得到路面温度效应。分析数据得到月循环及年循环的温度应力(应变)。

月循环温度效应的分析方法为：采用七月份温度数据来计算夏季循环温度应力、应变，以应变作为验算指标来研究夏季温度月循环；采取一月份温度数据来计算冬季循环温度应力，以应力作为验算指标来研究冬季温度月循环。

年循环温度效应的分析方法为：取某地区某年十二个月的月平均温度数据来计算沥青路面温度应力，对路面上面层的年温度应力循环进行模拟。

本实施例以武汉为例，对华中区域气候变化进行模拟分析。并以此为背景，对沥青混凝土路面温度循环应力进行计算，建立沥青混凝土路面三维温度分析有限元模型。

步骤一、分析温度对沥青混凝土力学性能的影响；

路面是由各种材料构成的，温度对路面的影响也主要是通过对材料产生作用，然后反映在路面结构上，所以路面对温度的力学响应可以归结为沥青路面材料对温度的响应，即材料影响沥青路面的力学特性。温度对材料的影响主要表现在对材料的弹性模量、泊松比等特性上，我们主要从这两个方面来分析温度变化对沥青混凝土力学性质的影响。

沥青属于粘弹性材料，温度敏感性高，温度变化会引起沥青混凝土中沥青粘弹性的改变，从而导致材料整体弹性模量的改变。沥青混合料的温度-弹性模量关系如图2所示，图2中R为拟合过程中线性相关系数。分析图2可发现沥青面层的弹性模量与温度的关系符合半对数关系，线性相关系数比较接近。

泊松比的取值可由试验获得。温度是影响沥青混凝土泊松比大小的重要因素之一。沥青混凝土材料泊松比随温度变化规律如图3所示。分析图3可以发现沥青混凝土材料的泊松比随温度升高而变大。

步骤二、建立沥青混凝土路面三维有限元模型，分析沥青混凝土路面三维有限元模型日温度效应；

选取沥青路面作为研究对象，材料参数如表所示，弹性模量和泊松比取值参见第一部分内容。

表2沥青路面结构与材料参数

武汉夏季7月份平均气温可达30度以上，对于沥青路面表面温度还要考虑太阳辐射等因素，此时沥青路表温度在最热时(基本在12～14h)可达60℃以上，温度较高，路面变软，变形增大，抗剪能力降低，路面易产生车辙、拥包等现象。导入温度场计算温度应力，得到沥青路面各层温度应变如图4。分析图4可知夏季路面各层温度较地温高，故路面各层受压不受拉(应变为负)。上面层应变在下午13h达到最大值，在凌晨5h最小。温度在面层间传递有滞后性，下面层在稍后1小时左右也达到应变最大和最小值。同样的方法分析剪应力和水平温度应力，可知路面各层剪应力基本都在下午17～18h达到最大值，而在凌晨5～7h左右降到最小值。上面层最大温度应力出现在下午17h，最小温度应力出现在凌晨5h，下面层滞后一小时左右。故在分析区域升温对沥青路面影响时，可对相应时间点下的路面力学响应进行分析。

根据2010年夏季7月路面温度应变日变化过程，并结合夏季区域升温对沥青路面面层弹性模量和泊松比的影响，对上面层和下面层进行分析，得到区域升温对路面产生的温度应变对比图(图5)、升温对路面产生的温度剪应力对比图(图6)以及升温对路面产生的水平温度应力对比图(图7)。分析图片可知，在夏季，随着区域升温，沥青路面上下层温度压应变增加，路面上下面层剪应力和水平温度应力都受到较大影响，造成路面变形过大，这将会对路面会产生不利的影响。图中2100年夏季七月路面温度变化数据由模拟得到，根据现有技术统计数据，气温平均增长速度为0.33℃/十年。

冬季日温度效应分析方法同上，但主要分析水平应变和水平应力，分析得到相关结果如图8、图9。由图片可知，在冬季，随着区域升温，沥青路面上下层温度拉应变均减小，路面温度应力受较大影响，但这些都是对路面有利的影响。

步骤三、分析沥青混凝土路面循环温度效应。

夏季沥青混凝土呈粘弹性，其温度应力较小，路面变形较大，故沥青路面夏季温度月循环采用应变验算指标。而冬季沥青混凝土为线弹性，其温度应变较小，应力较大，故冬季温度月循环分析采用应力验算指标。

分析夏季循环应力时，首先通过天气网查看武汉2011年7月份天气，然后用三角函数线性组合来拟合气温变化的周期性和非对称性。通过模拟辐射日气温得到气温日变化规律，根据我国同济大学严作人[43]对沥青路面温度变化的研究结果，采用两个正弦函数的组合来模拟辐射日气温的过程，得出了气温日变化的表达式为：

T(t)＝T₁+T₂(0.96sin(ω(t-t₀))+0.146sin(2ω(t-t₀)))(6)

式中：

T₁＝(T_max+T_min)/2，T₂＝(T_max-T_min)/2，ω为角速度，ω＝2π/24；

t₀为初相位，t＝0时表示早上6:00，我国各地区的时间以当地时间为准。

在考虑有效辐射时，采用扩大气温振幅的方法，将式δT＝{T_j}^T{N}改写为：

T_a＝T₁+(T₂+C_fα_x)(0.96sin(ω(t-t₀))+0.146sin(2ω(t-t₀)))(7)

式中：α_x为路表对太阳辐射的总吸收率；

C_f为有效辐射系数，晴天取5.0，阴天取2.0，多云的天气视云量而定，取值范围介于2.0-5.0之间。

然后进一步模拟得到路面路表温度三维示意图(图10)。根据路面路表温度数据对路面温度场及温度应力进行计算，由此可得2011年7月路面温度应变变化情况(图11)。分析图片可知，路面温度较高时(11～15h)，其受热膨胀，但因路面约束条件限制其水平膨胀，故此时路面受压变形较大。并且上面层温度较下面层温度变化范围大，故其产生的温度应变范围也较大。雨天因不受太阳照射，路面温度相对较低，温度变形较小。可见夏季高温主要使路面上面层产生较大应变，下面层相对较小。

分析冬季循环应力方法同上，但冬季阴天较多，故计算冬季路表温度时不考虑太阳辐射。根据路表路面温度数据对路面温度场及温度应力进行计算，分析结果表明，冬季地温主要使路面上面层产生较大温度应力，下面层相对较小。

在武汉地区温度对路面的破坏主要是温度循环造成的应力损伤，通过天气网，查看武汉2011年12个月的月平均温度。按照2011年1月和7月的路面温度应力计算方法，并结合2011年12个月的温度数据，对武汉市路面上面层的年温度应力循环进行模拟，得到沥青路面年水平温度应力变化图(图12)。分析图片可知，在夏季高温时，虽然路表温度变化幅度大，但其温度应力变化范围较小，冬季则相反。进一步分析得到武汉市沥青路面温度应力的年循环模式图(图13)，分析图片可知，考虑弹性模量和泊松比随温度变化时，冬季路面所产生的温度应力在数值上远大于夏季，即使没有车辆荷载，在月循环和年循环模式下，其路面也有可能产生温度裂缝。夏季路面主要受压，变形过大，且高温时路面弹性模量较小，在有车辆荷载时易产生车辙、拥包等路面问题。

本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。