不同季節(jié)影響下復合道面力學響應分析

郭成超，張順杰，楊曉東，閆衛(wèi)紅，4

（1.鄭州大學水利與土木工程學院，河南 鄭州 450001；2.中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津市 300074；3.中山大學土木工程學院，廣東 廣州 510275；4.河南省機場集團有限公司，河南 鄭州 451163）

0 引言

瀝青道面在使用過程中，會受到飛機荷載和溫度荷載的共同作用，其中溫度對于道面的受力有著十分重要的影響，所以研究道面在溫度影響下的力學響應是十分必要的。目前國內外學者對于道路溫度場進行了許多研究。Chundi Si 等[1]通過瀝青路面建立有限元模型，研究了路面在荷載和外部環(huán)境因素共同作用下的動態(tài)特性，對道路不同結構層的受力進行分析。國內周興業(yè)等[2]以半剛性基層和全厚式瀝青路面為研究對象，觀測了其在2017 年全年的溫度場狀況和力學狀況，得出了溫度和路面彎沉、應變等力學指標的關系模型。李盛等[3]通過建立帶縫狀態(tài)下的復合路面熱力耦合模型，研究了復合路面在不同因素作用下的力學響應，得出了路面開裂的演變規(guī)律。趙玉壁等[4]依托實際工程，對BRT 瀝青路面進行建模分析，得出了路面在熱力耦合作用下的變形規(guī)律。陳嘉祺等[5]通過分析道路溫度場的影響因素，結合現場實驗情況，建立了道路溫度場預估模型。易富等[6]通過研究建立了瀝青道路熱平衡方程，并利用ADINA 模擬了路面在熱力耦合下的變形規(guī)律。

綜上，目前國內外學者對道路溫度場進行了許多研究，但對于不同季節(jié)時復合道面在熱力耦合作用下的力學性能研究較少。基于此，文章針對中原地區(qū)機場復合道面結構，建立了道面三維有限元模型，對復合道面在不同季節(jié)下的溫度場分布和力學性能進行分析。

1 模型建立

1.1 基本假設

根據研究[7]，在建立溫度場計算模型前，為了簡化模擬計算條件，需要對模擬進行如下假設：（1）假定道面結構材料為均質各向同性；（2）假定道面各結構層之間為完全接觸；（3）假定熱流僅沿道面深度方向一維傳遞。

1.2 材料參數

結合機場道面相關研究[8]，確立機場道面材料參數，建立復合道面有限元模型。參數如表1 所示。

表1 機場道面材料參數

1.3 模型參數

1.3.1 模型尺寸和分析步建立

參考研究[8]，選取九塊板模型進行計算，混凝土板尺寸為5 m×5 m，板間接縫為2 cm，所以道面尺寸為15.04 m×15.04 m。在進行溫度場分析時，建立穩(wěn)態(tài)分析和瞬態(tài)分析兩種分析步，其中穩(wěn)態(tài)分析無實際意義，僅為后續(xù)瞬態(tài)分析提供溫度場熱分析。

1.3.2 網格劃分

在模型的網格劃分過程中，為保證受力的均勻和計算精度，對加載區(qū)域和計算分析區(qū)域進行了合理的加密。

1.4 氣象參數

氣象參數是分析道路溫度場變化的重要參數之一，文章依據中原地區(qū)氣象特征，選取了2021 年中6月和1 月某一天作為分析道面溫度場的氣象條件，具體參數見表2、表3。

表2 2021 年6 月某天中原地區(qū)氣溫表

表3 2021 年1 月某天中原地區(qū)氣溫

2 模擬結果分析

為了方便研究道面內部溫度場情況，建立了垂直于道面方向的溫度數據提取路徑，對道面不同深度、不同時刻的溫度場變化情況進行分析。以6 月為例，溫度路徑提取出的數據如圖1 所示。

圖1 不同時刻道面結構溫度分布圖

根據圖1 可知，道面結構層內部在不同時刻時溫度是不斷變化的，但外界溫度所能影響的范圍在0.56 m 以內，在道面結構深處，溫度變化并不明顯。所以對道面0.56 m 范圍內的結構層進行溫度提取，以研究復合道面溫度場的變化規(guī)律。具體可見圖2、圖3 所示。

圖2 6 月道面不同深度溫度變化圖

圖3 1 月道面不同深度溫度變化圖

根據圖2、圖3 可知，5 時之前道面溫度處于下降狀態(tài)，之后開始逐漸上升，其中面層溫度增長速率最快，在13 時達到頂。在到達溫度峰值后，道面溫度逐漸下降，由于溫度的滯后性，道面下部溫度下降速率小于面層，出現其他結構層溫度逐漸高于面層的現象。

從圖2、圖3 可以看出，道面不同深度處溫度變化趨勢相似，和大氣溫度相比，面層最高溫度值遠大于氣溫峰值，但隨著深度的增加，溫度峰值逐漸遞減，并且出現時間也逐漸延遲，這是因為結構層材料對于溫度的傳遞具有消減作用，才使得道面深處的溫度峰值低于道面表層。

3 熱力耦合模擬及數據驗證

3.1 監(jiān)測系統(tǒng)建立

通過前期研究，在機場跑道中選取了4 個監(jiān)控斷面，對機場道面進行全方位連續(xù)監(jiān)測。監(jiān)測傳感器采用瀝青應變計和混凝土應變計，主要用來測量瀝青加鋪層底拉應變和混凝土層拉應變。這種埋入式傳感器主要根據張力弦原理制造，利用頻率作為輸出信號，抗干擾能力強，并且傳感器內部有計算芯片，自動對測量數據進行換算，減少人工換算誤差。

此次傳感器布設位置位于混凝土表層，由于傳感器數量較多，傳統(tǒng)開槽機器速度較慢，所以采用圓形打孔機進行輔助切槽。在傳感器放置后，需要對傳感器進行固定，并針對不同傳感器類型選擇相應材料進行回填，如混凝土應變計切槽需要選用C40 混凝土回填。在回填后，需要對混凝土板表層鋪設抗裂貼，防止開裂。

3.2 熱力耦合模型建立

在溫度場模型的基礎上，結合項目工況，建立道面熱力耦合模型，以B737-800 機型為分析對象。分析道面在熱力耦合作用下的力學響應。根據研究[9]，通過等效原則將輪印模型進行簡化，機型具體參數如表4 所示。

表4 B737-800 參數表

3.3 模擬結果分析及數據驗證

根據機場監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數據，將提取出的道面應變信息與模擬數據進行對比，分析如下圖4、圖5 所示。

圖4 夏季應變對比分析圖

圖5 冬季應變對比分析圖

從圖4、圖5 中可以看出，在夏季時，瀝青層底實測橫縱拉應變分別為355.67 和163.95，混凝土層的橫縱壓應變最大為44.83 和21.88；在冬季時，瀝青層底實測橫縱拉應變分別為296.45 和88.28，混凝土層的橫縱壓應變最大為11.62 和5.69。由數據可知，在不同季節(jié)時，道面在相同機型作用下所產生的變形不同，說明溫度對于道面的受力是有影響的，尤其對于混凝土來說，冬季時所產生的應變值比夏季產生的減少約74%，變化十分明顯。

通過對比模擬數據和傳感器實測數據，可以看出二者的變化趨勢相同，二者之間的應變差值也相對較小，驗證了模型的準確性。

4 結 論

文章結合實際工程，建立了道面有限元模型，分析了道面在不同季節(jié)時的溫度場分布和力學響應，并與監(jiān)測數據進行對比，驗證了模型的準確性，具體結論如下。

（1）大氣溫度所能影響的道面深度范圍在0.56 m以內，和大氣溫度相比，道面面層溫度峰值遠大于氣溫峰值；

（2）道面各結構層溫度變化趨勢相似，隨著道面深度的增加，溫度峰值逐漸遞減，并且出現時間也逐漸延遲；

（3）在不同季節(jié)時，道面在相同機型作用下所產生的變形不同，說明溫度對于道面的受力是有影響的，尤其對于混凝土來說，冬季時所產生的應變值比夏季產生的減少約74%，變化十分明顯。