瀝青路面溫度場有限元數值分析

樊友川武漢經濟技術開發區（WEDZ）城鄉建設局建設工程服務中心（430056）

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瀝青路面溫度場有限元數值分析

樊友川
武漢經濟技術開發區（WEDZ）城鄉建設局建設工程服務中心（430056）

摘要：通過有限元熱傳導基本方法，選取相應典型的計算模型參數，得出了瀝青道路結構體沿路面深度方向的溫度分布情況，并總結了其規律。

關鍵詞：瀝青路面；溫度場；有限元分析

路面建成投入使用以后，就經受著自然界溫度變化的影響。許多國家也對瀝青路面和水泥路面的溫度分布狀況及其引起的溫度應力導致的路面開裂進行了大量試驗研究。我國主要采用半剛性基層瀝青路面結構，不同的溫度對路面結構的影響各異，因此需要根據不同的道路使用情況，確定作用于其上的溫度分布場，從而為道路結構受力性能的準確評估提供依據。

1　分析方法

路面結構與外部熱的傳遞過程，遵循能量守恒定律，即熱力學第一定律。溫度場的分析包括穩態傳熱和瞬態傳熱兩大類。計算路面結構的溫度場時，應采用穩態熱傳遞的計算結果作為溫度場計算的初始條件，但初始溫度場比較難確定，初始溫度場設為路面結構零應力狀態時溫度分布情況［1］。

這里采用ABAQUS軟件進行熱分析，通常由穩態熱分析確定瞬態熱分析的初始溫度分布，用瞬態熱分析計算出的溫度場作為熱荷載進行溫度應力分析。

2　分析模型

對層狀體系道路結構溫度場熱分析模型，作出如下基本假設［2］：1）各結構層為均勻、連續的各向同性體。2）不考慮路面結構溫度場的橫向分布，忽略陰面和陽面的溫度差異。3）計算面層與基層之間的接觸熱阻。4）忽略各層材料的導熱系數受溫度變化的影響。

瀝青層上面層厚為4 cm、下面層厚為6 cm，半剛性基層和底基層厚度各為30 cm，平均風速2.8 m/s，太陽日輻射量2.7×107 mol/d·m2，實際有效日照時數為11 h。其他熱力學參數見表1。

由于溫度梯度一般出現在溫度較高的夏季，考慮到與車輛荷載效應的疊加，因此以夏季某日典型高溫氣候及冬季某日典型低溫氣候參數分析路面的溫度分布。分析中所用的大氣溫度條件為：夏季最高氣溫為38.5℃，對應當天最低氣溫為29℃；冬季最高氣溫為5℃，最低氣溫為-2℃。

表1　路面溫度場熱力學參數

3　分析結果

路面結構初始溫度場取為25℃，采用大型有限元軟件ABAQUS對有限元熱傳導基本方法進行計算，分析路面結構體沿路面深度方向的溫度分布規律，路面結構不同時刻溫度分布如圖1。持續低溫路面結構溫度如圖2所示。

圖1　高溫沿路面分布規律（整體）（局部）

圖2　低溫狀態不同時刻面層溫度沿深度分布規律

4　分析總結

路面結構內溫度隨路表太陽輻射及氣溫變化

而發生周期性變化，瀝青材料力學性能參數的變化及路面結構層溫度應力分布宜發生變化。

參考文獻：

［1］秦健，孫立軍.瀝青路面溫度場的分布規律［J］.公路交通科技，2006，23（8）：18- 21.

［2］單景松，郭忠印.瀝青路面溫度場的預估方法［J］.江蘇大學學報，2013，34（5）：594- 604.