基于ABAQUS有限元軟件的瀝青路面溫度場分布規律研究

諶及時，唐啟文

(1.長沙市寧鄉經濟技術開發區管理委員會，長沙 410600;2.江西恒信工程檢測集團有限公司，江西 南昌 330013)

0 引 言

隨著溫度的變化，瀝青混合料的力學性能及行為隨之產生變化，尤其在夏季高溫條件下，瀝青混合料勁度模量降低，在荷載作用下會發生車轍、推擠等病害。準確預測瀝青路面溫度場分布情況，可以為道路設計提供最不利參數，從而優化結構層及材料設計組合，保障瀝青混合料在使用過程中的高溫穩定性及低溫抗裂性，同時對分析和減少路面結構病害提供理論依據，具有非常重要的意義。

1 瀝青路面溫度場分析的基本理論

2 瀝青路面溫度場有限元模型

2.1 路面結構及材料參數

選取瀝青路面結構為：上面層為SMA-13，中面層為AC-20，下面層為AC-25，基層為水泥穩定碎石。

通過查找資料，得到當地風速為3.0 m/s，并將測得的夏季1 d 24 h代表溫度如表1所示，材料熱參數如表2所示

表1 夏季1 d 24 h代表氣溫

表2 路面溫度場熱屬性參數

3 計算結果及瀝青路面溫度場分析

將模型提交計算并得到路面結構在不同時刻溫度場分布情況，其中瀝青路面在12∶00、24∶00二個時間段內不同位置處溫度分布云圖如圖1、圖2所示，可以看出，隨著時間的增加，路面結構層溫度逐漸向下傳遞。

圖1 12∶00路面溫度分布圖

圖2 24∶00路面溫度分布圖

分析路面不同結構層在24 h內溫度變化規律如圖3所示，由圖可知，路面內部溫度場隨著外界氣溫的變化而變化，這種影響主要發生在瀝青面層和基層部位。距離路表越近，結構溫度隨氣溫變化越明顯，結構層溫度變化隨著距離路邊深度增加而降低。路表溫度日波動最大，約為30 ℃，中面層和下面層頂部溫度波動依次約為22 ℃、15 ℃，而水泥穩定碎石基層頂部氣溫波動約為10 ℃，基層底部(土基頂部)氣溫波動最小，約為0.21 ℃，可以看出，在低溫條件下，瀝青路面低溫開裂主要是由于瀝青面層低溫收縮導致。路表最高溫度出現在14∶00左右，最低溫度出現在5∶00左右，隨著路面深度的增加，各結構層頂部最高溫度出現一定的延遲，且個結構層頂與上面層頂部相比延遲相位差逐漸增加。對于周期變化的氣溫，其對瀝青路面的影響深度月為40～50 cm，且上面層的波動最劇烈。圖4為一天內代表時刻距離路面以下不同深度處的溫度變化規律，由圖4可知，中午12∶00時隨著距離路面深度的增加，溫差最大，而凌晨4∶00時時溫差最小。

圖3 路面各結構層溫度變化規律

圖4 路面以下不同深度溫度變化曲線

4 計算結果與現場實測數據對比

將有限元模型計算出的瀝青路面溫度場分布與第三章現場實測路面溫度場分布對比如圖5所示，從圖5中可以看出，利用有限元計算得到的瀝青路面各結構層頂部溫度與現場實測各結構層峰值溫度、溫度變化趨勢以及不同結構層最高溫度出現時刻的相位差基本吻合，從而可以驗證瀝青路面溫度場有限元計算模型的正確性與適用性，為接下來進行瀝青路面車轍計算提供可靠的基礎。

圖5 各測點計算溫度與實測溫度對比

5 小 結

通過ABAQUS有限元法對瀝青路面結構在日周期變化氣溫條件下的溫度場分布規律進行模擬計算，并與現場實測路面結構層溫度場分布進行對比驗證，可以得出以下結論：

(1)一天當中路面表層最高氣溫出現在14∶00左右，最低氣溫出現在6∶00左右，隨著路面結構深度的增加，結構最高溫度逐漸下降，而最低溫度卻逐漸增加。

(2)隨著路面結構層深度的增加，各結構層溫度變化規律大體相同，但是最高氣溫出現時間相對于路面表層而言逐漸推遲，且相位差逐漸增加。

(3)氣溫變化對于路面結構的影響主要在基層及以上層位，對于土基且距離表面越近，氣溫變化幅度越大，晝夜溫差越明顯。而氣溫變化對于土基而言影響較小，隨著氣溫的規律變化，土基溫度幾乎為水平趨勢，瀝青路面面層結構是在溫度變化過程中產生車轍、推移等病害的主要部位。