蘭州BRT瀝青路面結構溫度場和車轍分析

林家琛

蘭州BRT瀝青路面結構溫度場和車轍分析

林家琛

（蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730070；甘肅省道路橋梁與地下工程重點實驗室，甘肅 蘭州 730070）

基于ABAQUS有限元軟件，建立了BRT瀝青路面溫度場模型和車轍計算模型，分析了不同熱物理參數對溫度場的影響以及速度對車轍形成的影響規律。研究表明，瀝青路面各結構層溫度變化和外界溫度變化趨勢基本相同，表面層受外界環境影響變化幅度最大，其他結構層隨著深度的增加溫度變化逐漸趨緩；增大熱容量和降低路面材料對太陽輻射的吸收率有利于降低路面結構溫度，減少BRT瀝青路面車轍的形成；路表凹陷變形和隆起變形隨行車速度的增大而減小，且減小幅度逐漸降低。

道路工程；半剛性路面結構；有限元分析；溫度場

蘭州地處高原地區，夏季高溫且日照時間長，路表溫度最高可達60 ℃。

車轍作為瀝青路面結構常見的病害會大大影響行車舒適度和安全性，增加路面結構維護的難度。

姚祖康[1]提出在中國廣泛使用的半剛性瀝青路面結構很容易發生車轍等早期破壞。張蘭峰[2]采用數值模擬從路面結構材料的物理性質方面，分析了熱容量、熱傳導率、路面材料的熱吸收率等因素對路面結構溫度場的影響。劉一凡[3]通過現場溫度場實測數據，分析了路面結構溫度場在不同深度下受各環境因素的影響；賈璐等人[4]基于溫度場現場試驗，結合數值模擬進行了不同路面結構參數和熱物理參數對路面溫度場的敏感性分析；郭芳[5]借助ABAQUS時間硬化模型，分析了連續變溫條件下組合式瀝青路面的車轍問題；涂義鵬[6]建立ABAQUS有限元模型，探討了環境溫度、車輛荷載和結構層厚度對瀝青路面車轍形成的影響。

本文基于蘭州地區氣象條件和蘭州BRT瀝青路面結構，利用ABAQUS有限元軟件分析熱物理參數對蘭州BRT路面結構溫度場的影響以及速度對車轍形成的影響。

1 三維有限元模型的建立

1.1 路面結構和材料參數

本文以蘭州BRT瀝青路面結構建立三維有限元模型，瀝青路面結構和材料動態參數如表1所示。

表1 BRT瀝青路面結構和材料動態參數

結構層厚度/cm動態模量/MPa泊松比密度/（kg/m3） 細粒式粗型改性瀝青混凝土AC-13410 0000.252 400 中粒式粗型密集配瀝青混凝土AC-20511 2500.252 400 粗粒式密集配瀝青碎石ATB-2579 0000.252 400 水泥穩定砂礫基層303 0000.252 200 石灰土底基層302 0000.252 100 路基600900.41 850

路面溫度場分析熱屬性參數和不同溫度下瀝青路面結構層材料動態參數參考文獻[7-8]，如表2、表3所示。

表2 熱屬性參數表

參數AC-13、AC-20、ATB25水泥穩定砂礫石灰土土基 熱傳導率k/（J·m-1·h-1·℃-1）4 6805 6005 1405 616 密度ρ/（kg/m3）2 4002 2002 1001 850 熱容量C/（J·kg-1·℃-1）925911.7942.91 040 太陽輻射吸收率αs0.9 路面發射率ε0.81 絕對零度值Tz/℃-273

1.2 溫度場計算模型

溫度場計算模型如圖1所示，依據蘭州夏季實際氣象條件，調用Fortran語言編寫的子程序FILM和DFLUX實現“氣溫及對流熱交換”和“太陽輻射”，“路面有效輻射”通過定義相互作用中的路面發射率來實現。

有限元網格采用局部細化數據提取位置和荷載作用區域的方式劃分，其中沿行車方向數據提取位置和荷載作用帶有限元網格長度分別為0.04 m、0.06 m，沿道路橫斷面荷載作用帶有限元網格長度為0.055 m，其他區域網格劃分相對稀疏，選取單元為8節點六面體DC3D8一次溫度單元。

1.3 車轍計算模型

基于溫度場分析模型，通過添加邊界條件建立車轍分析模型，由于荷載作用和路面結構的對稱性，取1/2模型進行分析。其中，，方向分別代表道路橫斷面、道路深度和BRT行車方向。邊界條件采用側面（方向、方向）施加對稱約束，路基地面（方向）施加固定約束[9-10]。

表3 瀝青混合料彈性參數

混合料類型溫度/℃動態模量/MPa泊松比 AC-132010 0000.25 353 3000.30 402 4000.35 501 7500.40 601 0000.45 AC-202011 2500.25 353 6000.30 402 7200.35 501 9200.40 601 1000.45 ATB-25209 0000.25 353 0000.30 402 0000.35 501 3000.40 607000.45

圖1 溫度場有限元網格劃分示意圖

由于BRT車輛軸距較長，前后輪的動力響應不相互影響，為了縮短有限元計算時間，本文僅對后軸進行建模分析。如圖2所示，簡化后的矩形面積為0.22 m×0.32 m。采用“以靜代動”的方法分析BRT荷載在100個工作日下的路面車轍，同時施加豎向荷載和水平荷載模擬BRT制動過程，其中豎向荷載0.733 MPa，水平荷載0.366 5 MPa。作用位置如圖3所示。

圖2 荷載等效示意圖（單位：m）

圖3 荷載作用位置示意圖（單位：m）

2 數據分析

以上述模型為基礎，分別設置4個熱容量水平、太陽輻射吸收率水平分析溫度場分布規律，設置10 km/h、20 km/h、30 km/h、40 km/h這4個水平分析路面車轍。計算結果如圖4所示。其中，計算溫度場提取輪印中心點及其下方各結構層對應點位數據，計算車轍提取輪印中心點數據。

圖4 各結構層溫度隨時間的變化

2.1 溫度場分析

從圖4可以看出，瀝青路面各層溫度變化幅度各不相同，但大致有相同的規律。瀝青路面各結構層溫度變化和外界溫度變化趨勢基本相同，表面層受外界環境影響變化幅度最大，其他結構層隨著深度的增加溫度變化逐漸趨緩，一天之中土基溫度基本保持不變，受環境影響最小。

00：00—06：00，瀝青路面面層溫度隨著時間推移逐漸降低，且降溫幅度較小，在1 ℃左右，其他結構層基本持平。06：00—15：00，環境溫度逐漸升高，太陽輻射逐漸增強，路表溫度也隨之升高，14：00左右路面結構達到最高溫度。隨著深度的增加，瀝青路面各結構層溫度峰值逐漸減小，其中上面層層底、中面層層底、下面層層底最高溫度較路表最高溫度分別降低了13%、25%、35%。14：00之后路表溫度隨環境溫度降低，但由于路表溫度普遍高于其他各層溫度，因而熱量繼續從路表向下傳遞，18：00時路表溫度開始低于面層內部。06：00時熱容量與路面結構溫度的關系如圖5所示。14：00時熱容量與路面結構溫度的關系如圖6所示。

圖5 06：00時熱容量與路面結構溫度的關系

圖6 14：00時熱容量與路面結構溫度的關系

從圖5、圖6可以看出，06：00時，瀝青面層內各結構層在相同深度處，溫度隨著熱容量的增大而升高，其中當熱容量從425～1 925 J/（kg·℃）的變化過程中，路表、上面層層底、中面層層底、下面層層底溫度分別升高0.25 ℃、0.49 ℃、0.64 ℃、0.467 ℃。14：00時，瀝青面層內各結構層在相同深度處，溫度隨著熱容量的增大而降低，其中當熱容量從425～1 925 J/（kg·℃）的變化過程中，路表、上面層層底、中面層層底、下面層層底溫度分別降低5.87 ℃、9.20 ℃、10.57 ℃、7.70 ℃。太陽輻射量、熱傳導率、路面反射率、風速等條件相同時，熱容量越大，瀝青混合料升溫或降溫需要的能量越多。凌晨時，沒有太陽輻射作用，路面結構處于放熱狀態，瀝青混合料的熱容量越大，降溫時釋放的熱量越多，路面結構在某一深度溫度就越高；中午時刻由于太陽輻射，路面處于吸熱狀態，瀝青混合料的熱容量越大，路面結構的溫度就越低。無論在凌晨時刻和中午時刻，面層熱容量的變化對面層以下結構層的溫度場影響較小。

06：00時太陽輻射吸收率與路面結構溫度的關系如圖7所示。14：00時太陽輻射吸收率與路面結構溫度的關系如圖8所示。

圖7 06：00時太陽輻射吸收率與路面結構溫度的關系

圖8 14：00時太陽輻射吸收率與路面結構溫度的關系

從圖7、圖8可以看出，06：00時，路面結構各結構層在相同深度處，溫度隨太陽輻射吸收率的變化較小，主要由于此時段沒有太陽輻射。14：00時，路面各結構層在相同深度處，隨太陽輻射吸收率的增大而升高，太陽輻射吸收率從0.3～0.9的變化過程中，路表、上面層層底、中面層層底、下面層層底溫度分別升高17.28 ℃、11.21 ℃、7.61 ℃、3.89 ℃。太陽輻射吸收率對于路面結構溫度場的影響隨著深度增加而減弱，其中在路表影響最大，在面層以下各結構層幾乎沒有影響。因此，降低路面材料對太陽輻射的吸收率有利于減少BRT瀝青路面車轍的形成，可以在路表鋪設反射涂層通過增加路面的反射率來降低路面結構溫度。

2.2 路面車轍分析

不同速度蠕變變形對比如圖9所示。不同速度凹陷、隆起變形如圖10所示。

圖9 不同速度蠕變變形對比

圖10 不同速度凹陷、隆起變形

由圖9可知，在豎向荷載和水平荷載共同作用下，路表在荷載下方產生了凹陷變形，還在輪跡外側出現了向上的隆起變形，路表凹陷變形和隆起變形隨速度的增大而減小，且減小幅度越來越小。

由圖10可知，00：00—06：00，由于沒有BRT通行，豎向蠕變變形基本沒有變化；06：00—10：00，BRT車次逐漸增加，路面溫度逐漸增大，但面層溫度均在40 ℃左右，路表的凹陷變形緩慢增加；10：00—14：00，隨著瀝青路面結構溫度迅速升高，BRT車次繼續增加且一直保持較高的頻次，路表的凹陷變形速度顯著增大，速度為10 km/h時在 14 h的凹陷變形為3 mm左右，速度為40 km/h時在14 h的凹陷變形較前者減小1 mm，此時路表開始出現隆起變形；14：00—18：00，BRT車次始終保持最高的頻次，雖然路表溫度在14：00以后逐漸降低，但由于在路面結構內部溫度的滯后性，路表以下溫度仍然在升高，因此此時間段凹陷變形程度最大，且隆起變形也達到最大值；18：00以后路面結構溫度逐漸降低，BRT車次也顯著減少，凹陷變形、隆起變形逐漸趨于穩定。

3 結論

瀝青路面各層溫度變化幅度各不相同，但大致有相同的規律。瀝青路面各結構層溫度變化和外界溫度變化趨勢基本相同，表面層受外界環境影響變化幅度最大，其他結構層隨著深度的增加溫度變化逐漸趨緩。瀝青面層熱容量的增大導致日間溫度降低且夜間溫度升高幅度較小，因此可以通過增大瀝青面層的熱容量減小日間路面結構溫度。

降低路面材料對太陽輻射的吸收率有利于降低路面結構溫度，減少BRT瀝青路面車轍的形成。可以在路表鋪設反射涂層通過增加路面的反射率來降低路面結構溫度。路表凹陷變形和隆起變形隨行車速度的增大而減小，且減小幅度逐漸減小。路表在日間溫度較高和BRT車次較多的時間段蠕變變形較明顯。

［1］姚祖康.瀝青路面結構設計［M］.北京：人民交通出版社，2011.

［2］張蘭峰.移動荷載和連續變溫條件下瀝青路面結構力學響應研究［D］.西安：長安大學，2018.

［3］劉一凡.溫度與荷載作用下瀝青路面受力特性研究［D］.長沙：長沙理工大學，2011.

［4］賈璐，孫立軍，黃立葵.瀝青路面溫度場數值預估模型［J］.同濟大學學報（自然科學版），2007（8）：1039-1043.

［5］郭芳.基于時間硬化蠕變模型的組合式基層瀝青路面結構車轍分析［J］.公路工程，2015（6）：214-217，222.

［6］涂義鵬.考慮溫度場的瀝青路面車轍變化特征分析研究［D］.長沙：長沙理工大學，2014.

［7］廖公云，黃曉明.ABAQUS有限元軟件在道路工程中的應用［M］.南京：東南大學出版社，2014.

［8］肖川.典型瀝青路面動力行為及其結構組合優化研究［D］.成都：西南交通大學，2014.

［9］李凌林，黃曉明.水平移動荷載作用下瀝青路面的永久變形［J］.華南理工大學學報（自然科學版），2011，39（3）：125-129.

［10］OGOUBI C A，YI Q T，XINGYE Z，et al.Numerical investigation of the mechanical response of semi-rigid base asphalt pavement under traffic Load and nonlinear temperature gradient effect［J］.Construction and Building Materials，2020（2）：235.

2095－6835（2020）06－0120－03

U416.224

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.06.047

林家琛（1993—），男，山西朔州人，碩士研究生，主要從事道路路基路面工程方面的科研工作。

〔編輯：嚴麗琴〕