青藏公路沥青路面结构温度应力影响因素分析

青藏公路沥青路面结构温度应力影响因素分析 -1- 青藏公路沥青路面结构温度应力影响因素分析 胡浩，褚凯，李超，韦佑坡 长安大学特殊地区公路 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 教育部重点实验室，西安(710064) 摘 要:针对青藏公路沿线常年低温、昼夜温差大等气候特点，利用 ANSYS大型有限元分 析软件，在温度场研究的基础上，计算分析了面层厚度、面层模量、面层线膨胀系数及不同 气温状况对温度应力的影响。结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明:随着面层厚度的增加，沥青混凝土路面面层底部的 温度应力变化幅度最大;面层弹性模量对路面结构层温度应力的影响较大，但其影响深度有 限;沥青路面结构层温度应力随着面层线膨胀系数的减小而减小，温度越低，其影响越大; 气温越低，温差越大，沥青路面结构层的温度应力越大。 关键词:道路工程;青藏公路;沥青路面;温度应力;影响因素 0 引言 路面暴露在自然环境中，经受着持续变化的太阳辐射、气温等的影响，使路面结构内部 产生了不稳定热流。沥青路面对温度十分敏感，沥青混合料的强度、劲度以及温缩性能等都 随着温度的变化而变化。温度影响沥青路面材料的同时，对路面结构的影响也较大。进入路 面结构的不稳定热流，使路面结构层随着温度的升高或降低而趋于膨胀或收缩。由于层状路 面结构层之间的相互约束，这种变形不能自由发生，产生温度应力。当温度应力超过路面结 构层材料的极限抗拉强度时，沥青路面产生开裂 [1]。青藏公路沿线温度条件极为苛刻，常 年低温、昼夜温差大等对沥青路面影响尤为明显，虽认识到该问题，但没有开展相关研究。 本文在温度场研究的基础上，对青藏公路多年冻土区沥青路面温度应力进行计算分析，以期 为完善多年冻土地区路面设计方法提供依据。 1 基本理论 由于相互接触的不同结构体或同一结构的不同部分之间的热膨胀系数不相同，在加热或 冷却时彼此的膨胀或收缩程度不一致，从而导致热应力的产生。为简化计算，本文以二维热 弹性层状体系理论作为沥青路面结构温度应力数值分析的理论基础[2]。 设弹性体内各点的变温为 ( , )T x y ，以升温时为正，降温时为负。若不受约束，由于变 温 ( , )T x y ，弹性体内各点的微小长度将发生正应变 Tα ，α (1/?)为弹性体的热膨胀系 数。在均匀各向同性的假设下，系数α 不随方向而改变，所以这种正应变在各个方向都相 同，因而就不伴随任何剪切应变。于是，由变温 ( , )T x y 引起并作用于各个方向的温度应变 为: Tzyx αεεε === xyxzyz γγγ == 但是，由于物体受到的各种约束，上述应变并不能自由发生，于是就产生了温度应力。 2 分析模型与温度边界条件 2.1 计算分析模型 针对青藏公路所处的复杂气候环境条件，本文在温度场研究的基础上，计算分析其路面 结构层温度应力。分析模型包括沥青路面结构温度场和温度应力的模型，温度场模型为路面 //.paper.edu 中国科技论文在线 -2- 结构横断面，仅考虑二维热传导。为简化计算，温度应力模型为一定长度的路面纵断面二维 模型。计算模型满足基本假设[3]:(1)路面各层均为完全均匀和各向同性的连续体;(2) (3温度不随水平坐标的变化而变化;)路面层间接触良好，热传导连续;(4)路面不同深 度层位的温度与路表边界温度同频率周期变化，只是相位滞后;(5)各层材料为完全弹性; 6)不考虑自重应力场。 ( 2.2 模型计算长度 5m 8m 15m 20m 30m 50m 0.814 0.815 0.816 0.817 面 层 表 面 温 度 应 力 (M Pa ) 计算长度(m) 5m 8m 15m 20m 30m 50m 0.277 0.278 0.279 面 层 底 部 温 度 应 力 (M Pa ) 计算长度(m) 图 1 面层表面温度应力随计算长度的变化 图 2 面层底温度 应力随计算长度的变化 由图 1、图 2 可知，路面结构的最大温度应力随模型计算长度的增加而逐渐减小，最后 趋于稳定，应力变化值较小。计算长度由 5m 到 8m 时，面层顶面及底面的最大温度应力分 别减小 0.0023MPa 和 0.0011MPa，减小幅度分别为 0.3%及 0.4%;而计算长度由 8m 到 15m 时，面层顶面及底面的最大温度应力均减小 0.1%。因此，模型计算长度取 8m，已能满足计 算精度要求。 2.3 计算分析参数的确定 表 1 沥青路面结构参数和材料参数 厚度h 参数 ( cm ) 弹性模量E (MPa) 泊松比?? 密度 ρ ( 3????mkg ) 导热系数 xxK ( 11 ???? ???? KsN ) 线膨胀系数α ( 1510 ???? ?? K ) 面层 9,25 - 0.25 2400 1.12 1.5,2.1 基层 20 900 0.30 2200 1.20 0.98 底基层 20 150 0.30 2100 2.00 1.60 表 2 沥青路面面层模量(MPa) 温度(?) -20.0 -10.0 0.0 10.0 20.0 模量一 5011 3160 1986 1021 784 模量二 6000 4000 3000 2000 1000 计算模型的结构与材料参数如表 1 和表 2 所示[4]。表 1 中面层厚度取值范围为 9cm 到 25cm，变化间隔为 4cm。面层弹性模型取值见表 2，模量一为实测值，模量二为计算分析对 比值。 温度应力计算模型中，路面结构的基准温度取 0?[5]。模型左右两端施加 x 和 y 方向位 移约束，底面施加 y 方向位移约束。面层线膨胀系数取 5101.2 ??× 。面层模量取模量一，施 加的气温边界条件为青藏公路五道梁 2003 年 11 月 10 日和 2004 年 1 月 10 日的实测气温(见 表 3)。 //.paper.edu 中国科技论文在线 -3- 表 3 2003 年 11 月 10 日及 2004 年 1 月 10 日气温 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 24:002003 年 11 月 10 日 -15.5 -15.1 -12.5 -15.2 -10.4 -5.8 -2.7 -3.3 -5.0 -6.8 -11.2 -14.9 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 24:002004 年 1 月 10 日 -20.6 -21.5 -23.1 -24.0 -21.1 -14.9 -9.6 -8.2 -8.2 -14.2 -22.9 -24.5 2.4 温度边界条件的确定 图 3 为 2003 年 11 月 10 日青藏公路路面结构温 度场计算结果。由图可以看出，沥青路面结构温度 场随气温、辐射等的变化呈周期性变化。最低气温 在 4:00 左右，路表最低温度在 5:00 左右，而面层 底部最低温度在 7:00 左右。路表温度的日波动量最 大，约为 10?;路表以下 9cm(即面层底部)温度 的日波动量约为 4?;基层底部温度的日波动量约 为 1?;而路基顶面温度的日波动量只有 0.1?左 右。随着深度的增加，路面结构内部温度的日波动 量衰减较快，且各层最高及最低温度出现的时间随 着深度的增加都有滞后。 将利用 ANSYS 有限元软件计算的路面结构温度场，采用文献 6 的方法, 拟 合后作为计 算模型不同层位的温度边界条件。拟合公式为: ( )( ) ( )( )[ ]0021 2sin14.0sin96.0 ttttTTTa ??+??+= ωω (1) 式中: aT 为 气温(?); 1T 为 日平均温度(?); 2T 为 日温度振幅 (?); 0t 为初相 位(h);ω为角频率， 24/2πω = 。 3 温度应力影响因素分析 图 4 为 2003 年 11 月 10 日青藏公路路面 结构温度应力计算结果。由图可以看出，路面 结构的最大温度应力出现在路表，其值为 0.817MPa，时间为 5:00 左右。随着距离路表 深度的增加，路面结构层的温度应力值减小较 快，且其最大应力值相对于路表也有不同程度 的滞后。 3.1 面层厚度 图 5 为一天内面层表面温度应力最大时刻 5:00 的路面不同深度处的温度应力。由图可 以看出，随着面层厚度的增加，路面结构不同深度处的温度应力均逐渐减小。面层厚度的变 化对面层以下结构层的影响较小，对面层底部的影响最大，对路表的影响小于面层底部。 图 3 2003 年 11 月 10 日路面温度场计算结果 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 温 度 (? ) 时间(h) 面层表面 面层底面 基层中间 基层底面 路基顶面 气温 图 4 2003年 11月 10日路面温度应力计算结果 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 温 度 应 力 (M Pa ) 时间(h) 面层表面 面层底面 基层中间 基层底面 路基顶面 //.paper.edu 中国科技论文在线 -4- 9 13 17 21 25 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 温 度 应 力 (M Pa ) 厚度(cm) 路表 面层底面 基层中间 基层底面 路基顶面 9 13 17 21 250.00 0.04 0.08 0.12 温 度 应 力 (M Pa ) 厚度(cm) 路表 面层底面 基层中间 基层底面 路基顶面 图 5 5:00 路面结构温度应力 图 6 16:00 路面结构温度应力 图 6 为一天内面层表面温度应力最小时刻 16:00 的路面结构不同深度处的温度应力。从 图中可以看出，面层表面的温度应力随着面层厚度的增加逐渐增大，而面层底部是先增大后 减小。这是由于此时路面结构层温差较小，加上面层厚度变化对路面结构层温度分布的影响， 使得沥青路面表面及底面的温度应力表现出了与 5:00 时不一样的规律。但面层以下结构层 由于受面层厚度变化的影响较小，其变化规律基本相同。 3.2 面层模量 大部分关于温度应力的计算均未考虑温度对面层模量的影响，而沥青混凝土的温度敏感 性使其弹性模量受温度的影响较大。本研究通过实测不同温度下沥青混凝土的弹性模量，并 在计算模型中通过线性插值，考虑沥青混凝土随温度的变化，使计算结果更接近于实际。沥 青混凝土面层模量取值见表 2。计算结果如下图 7 和图 8。 0 10 20 30 40 50 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 温 度 应 力 (M Pa ) 距路表深度(cm) 模量二 模量一 0 10 20 30 40 50 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 温 度 应 力 (M Pa ) 距路表深度(cm) 模量二 模量一 图 7 5:00 路面结构层温度应力 图 8 16:00 路面结构层温度应力 由图 7 和图 8 可以看出，路面结构层的温度应力随着面层模量的增大而增大。面层弹性 模量对路面结构面层表面及底面温度应力的影响较大，对其以下结构层的影响较小。其中面 层表面的温度应力值变化最大，5:00 时(面层表面温度应力最大时)，采用模量一路表温度 应力为 0.82MPa，采用模量二时为 1.11MPa，温度应力增加 35.5%;16:00 时(面层表面温 度应力最小时)，采用模量一路表温度应力为 0.13MPa，采用模量二时为 0.18MPa，温度应 力增加 44.1%。 3.3 面层线膨胀系数 由图 9 和图 10 可知，随着沥青面层线膨胀系数的减小，面层表面及底面 的温度应力均 减小。且温度越低，线膨胀系数影响越大。由图还可以看出，线膨胀系数对 面层表面温度应 力的影响大于对面层底面的影响。 //.paper.edu 中国科技论文在线 -5- 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 温 度 应 力 (M Pa ) 时间(h) 线膨胀系数2.1*E-5 线膨胀系数1.8*E-5 线膨胀系数1.5*E-5 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 温 度 应 力 (M Pa ) 时间(h) 线膨胀系数2.1*E-5 线膨胀系数1.8*E-5 线膨胀系数1.5*E-5 图 9 面层表面温度应力 图 10 面层底面 温度应力 3.4 气温 11 月 10 日路面最高气温-3.6?，最低气温-16.1?，平均气温-9.88?;1 月 10 日路面最 高气温-10.3?，最低气温-25.6?，平均气温 18.00?。两天的日温度变化幅度基本相同，但 后者日平均气温比前者低 9?左右。由图 11 和图 12 可以看出，气温变化时，面层表面的温 度应力变化幅度最大;随着距路表深度的增加，影响越来越小。面层表面的温度应力在 11 月 10 日面层表面温度应力最大时刻 5:00 为 0.82MPa，而在 1 月 10 日为 2.48MPa，增大了 面层底部的温度应力相应增大了 1.62MPa;0.75MPa。由此可见，气温越低，日温差越大， 路面结构温度应力越大。 0 10 20 30 40 50 0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 温 度 应 力 (M Pa ) 距路表深度(cm) 01月10日 11月10日 0 10 20 30 40 50 0.0 0.5 1.0 1.5 温 度 应 力 (M Pa ) 距路表深度(cm) 01月10日 11月10日 图 12 5:00 面层表面温度应力 图 13 16:00 面 层底面温度应力 4 结论 (1)面层厚度对沥青路面面层底部温度应力的影响最大;面层弹性模量对 路面结构层 温度应力的影响较大，但其影响深度有限;沥青路面结构层温度应力随着面层线膨胀系数的 减小而减小，温度越低，其影响越大。 (2)气温越低，温差越大，沥青路面结构层的温度应力越大。气温对面层表面的温度 应力影响最大，随着深度的增加，其影响逐渐减小。 //.paper.edu 中国科技论文在线 -6- 参考文献 [1] 吴赣昌(半刚性路面温度应力分析[M](北京:人民交通出版社，1995 [2] 周生金(沥青路面荷载与温度耦合作用疲劳特性分析[D](西安:长安大学，2005 [3] 申爱琴，贾玉(复合式路面(PMCC-PCC)温度应力有限元分析[J](长安大学学报(自然科学版)， 2008,5(3):23-24 [4] 黄志义，王金昌，朱向荣(含裂缝沥青混凝土路面的粘弹性断裂分析[J](中国公路学报，2006,3:19-20 [5] 王金昌，朱向荣(低温下沥青混凝土道路温度应力的新评价[J](公路， 2004,2:62 [6] 宋存牛(层状路面结构体非线性温度场研究概况[J](公路，2005,1: 50 Analysis of Influence Factor on Thermal Stress of Asphalt Pavement structure along Qinghai-Tibet Highway Hu Hao, Chu Kai, Li Chao, Wei Youpo Key Laboratory for Special Area Highway Engineering of Ministry of Education, Chang’an University, Xi’an, China (710064) Abstract Aiming at the climate feature of low temperature and large temperature difference on Qinghai-Tibet Highway，this paper analyzed the influence of pavement thickness， elastic module，linear expansion coefficient and temperature on the thermal stress based on the study of temperature field，using ANSYS finite element analysis software. The results show that，with increasing of the pavement thickness，the thermal stress at the bottom of pavement has the largest changes. The influence of pavement elastic module to the thermal stress in asphalt pavement may be great, but only in the definite deep. The thermal stress in asphalt pavement decrease with the decrease of pavement linear expansion coefficient, the lower temperature the larger influence. There are larger thermal stress in asphalt pavement with low temperature and large temperature difference. Keywords:road engineering; Qinghai-Tibet Highway; asphalt pavement; thermal stress; influence factor 作者简介:胡浩(1985-)，男，湖北天门人，长安大学公路学院在读硕士， 研究方向:路 面工程。 //.paper.edu 中国科技论文在线