舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層溫度應力的探討

摘要：文章基于路面溫度場理論，采用ANSYS程序建立舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層結構溫度應力有限元模型，分析了降溫幅度、加鋪層厚度和土工布夾層材料模量及典型防止反射裂縫措施對舊路接縫處瀝青加鋪層底溫度應力的影響，為選擇合理材料和設計參數進行瀝青加鋪層設計提供參考。

關鍵詞：舊水泥混凝土路面 瀝青加鋪層 有限元分析

1、路面溫度場理論

處于復雜溫度環境中的路面結構的內部溫度達到平衡狀態時會產生熱流，在某時刻t的熱流可用溫度場來描述。若路面結構某質點在直角坐標系中的坐標為（x，y，z），則其在t時刻的溫度可由溫度場T來表征，如式1所示。

T=T（x，y，z，t） （1）

其溫度梯度可表示為：

1.1熱傳導方程

設路面結構第i層厚度為hi，導熱系數為λi，導溫系數為ai（其中i=1，2，3，…n），其t時刻溫度場為Ti=Ti（x，y，z，t），令g0=h1、gi= ，則Ti=Ti（x，y，z，t）滿足式3所示熱傳導方程。

1.2層間接觸邊界條件

若路面各結構層間接觸條件良好，則相互接觸的上下兩層的溫度Ti、Ti+1是連續的，即Ti在層間邊界上滿足熱傳導學中第四類邊界條件（因層間脫空產生的熱阻值很小，可忽略不計），如式4所示。

由于地熱作用，路基足夠深處的溫度場T隨時間及 深 度 的變化均不明顯，可忽略不計，即可視T（x，y，∞，t） 為常數。

1.3路表邊界條件

在加鋪層表面處z=0，溫度場函數Ti還應滿足路表邊界條件，即第一類邊界條件，如式5所示

2、溫度應力有限元分析模型

在進行瀝青加鋪層溫度應力狀態分析時，視路面結構為彈性層狀體[5，6]，研究對象為根據舊路狀況擬定的加鋪層路面結構，由瀝青加鋪層、級配瀝青碎石應力過渡層、土工布夾層、帶接縫的舊水泥混凝土路面和基礎層組成。其中舊水泥面板長度為5m，寬度為3.75m，厚度為25cm；地基采用擴大尺寸來模擬，以體現其彈性半空間體特性，其尺寸為12.01m×5.75m×9m，如圖1所示。

3、瀝青加鋪層溫度應力分析

瀝青加鋪層結構層材料和參數選取的合理與否會對其溫度應力產生很大影響。因此，有必要在建立瀝青加鋪層結構有限元模型的基礎上，通過固定其他參數而改變某一參數的方法來分析接縫處瀝青加鋪層底的溫度應力狀態，為瀝青加鋪層材料和結構參數

選取提供合理化參考。其分析指標為瀝青加鋪層底接縫處的最大主應力σ1、最大剪應力τmax和等效應力σe?？紤]到大多數地區晝夜溫差不大（通常不超過20℃），故進行加鋪層結構溫度應力分析時，可取T=0℃為參考溫度，并以此為基礎各上升和下降10℃。當溫度下降時，接縫處瀝青加鋪層底處于受拉狀態而傾向開裂，故溫度應力分析時只考慮降溫影響。

3.1 降溫幅度對瀝青加鋪層溫度應力的影響

當降溫幅度以△T=-10℃為基準，按-5℃的間隔逐級變化到-25℃時，瀝青加鋪層底接縫處溫度應力與降溫幅度的變化關系如圖2所示。

由圖2可以看出，隨著降溫幅度的逐次增大，瀝青加鋪層底接縫處的最大主應力σ1、最大剪應力τmax和等效應力σe基本上呈線性增加。當降溫幅度由△T=-10℃變化到-30℃時，σ1、τmax和σe分別由0.176 MPa、0.087 MPa和0.158 MPa增 加 到0.534 MPa、0.267 MPa和0.484MPa，三者的增幅均在200%左右。由此可見，較大的降溫幅度會使接縫處瀝青加鋪層內形成溫度應力集中，對加鋪層結構產生嚴重影響。

3.2土工布夾層模量對瀝青加鋪層溫度應力的影響

在瀝青加鋪層與舊水泥混凝土路面間設置土工布夾層是常用的防止反射裂縫措施之一。土工布夾層厚度通常相差不大，拉伸模量卻有較大的差別，因此要考慮土工布（拉伸）模量對其防止反射裂縫效果的影響。在有限元分析時，為體現土工布材料僅承受拉力而不傳遞彎矩的特性，采用三維薄膜單元進行模擬，其 模 量 由0MPa（無 土 工 布 夾 層 ）變 化 至3000 MPa。溫度應力與土工布夾層模量的變化關系如圖3所示

圖3溫度應力與土工布夾層模量變化關系圖

由圖3可以看出，加鋪層底接縫處的最大主應力σ1、最大剪應力τmax和等效應力σe均隨土工布夾層模量的增加而逐漸減小。對于實體加鋪層路面結構，當土工布夾層模量約為2000 MPa時，三者的變化幅度趨于穩定，此時σ1=0.170 MPa、τmax=0.084 MPa、σe=0.153 MPa，比不設置土工布夾層的工況（σ1=0.191 MPa、τmax=0.097 MPa、σe=0.172MPa）分別下降了11.0%、15.5%和11.0%?？梢?，當已設置級配瀝青碎石過渡層時，土工布夾層模量的變化對緩解溫度應力的作用并不顯著。

4、結論

本文依托某舊水泥混凝土路面加鋪改造工程，以溫度場作用下的舊路結構及其上所設級配瀝青碎石過渡層、土工布夾層、應力吸收層等典型防止反射裂縫結構層與瀝青加鋪層的組合結構為研究對象，利用ANSYS有限元法對其進行數值模擬，分析各結構層厚度和材料參數變化對瀝青加鋪層底溫度應力狀態的影響，為選擇合理材料和設計參數進行瀝青加鋪層設計提供參考。