郭寅川，王禮根，申愛琴，顧聘聘，萬晨光

(長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安710064)

甘肅半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)的溫度場及溫度應(yīng)力三維有限元分析

郭寅川，王禮根，申愛琴，顧聘聘，萬晨光

(長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安710064)

基于甘肅地區(qū)半剛性基層瀝青路面橫向裂縫嚴(yán)重的現(xiàn)狀，對(duì)該地區(qū)半剛性基層瀝青路面溫度場以及溫度應(yīng)力進(jìn)行分析；借助ANSYS有限元軟件，對(duì)甘肅地區(qū)常見的半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)建立三維有限元模型，并施加氣溫和太陽輻射等熱荷載，求解得出甘肅半剛性基層瀝青路面溫度場以及溫度應(yīng)力的變化規(guī)律，為甘肅地區(qū)半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供一些參考意見。結(jié)果表明：瀝青面層厚度的變化對(duì)瀝青路面溫度場和溫度應(yīng)力的影響較大；瀝青層頂和層底的溫度差隨著面層厚度增加逐漸增大，而瀝青層溫度分布梯度隨著面層厚度的增加逐漸減??；瀝青面層越厚，瀝青層上半部分溫度應(yīng)力擴(kuò)散得越快，瀝青層下半部分溫度應(yīng)力擴(kuò)散得越慢。

道路工程；半剛性基層；有限元分析；溫度場；溫度應(yīng)力

0 引 言

半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)由于其良好的整體性能以及工程造價(jià)的低廉在我國有著廣泛的應(yīng)用。“十二五”期間，甘肅省以半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)為主導(dǎo)結(jié)構(gòu)類型完成了大量的高速公路的修筑。然而，在此期間修建的半剛性基層瀝青路面早期破壞嚴(yán)重，如橫向裂縫等。甘肅省地處北緯32°31′～42°57′、東經(jīng) 92°13′～108°46′之間。本課題組經(jīng)過大量的調(diào)研知，甘肅省最冷月為1月，平均氣溫在-12.2～4.2 ℃，且晝夜溫差相對(duì)較大。由于此原因低溫開裂已經(jīng)被認(rèn)為是甘肅省半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)主要破壞形式。但是我國現(xiàn)行的瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范并未對(duì)溫度這一因素進(jìn)行考慮。

國外對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)溫度的研究較早，起步于上個(gè)世紀(jì)20年代，相對(duì)而言國內(nèi)在這一方面起步較慢，直到上個(gè)世紀(jì)80年代才逐步開展。國外最先是美國于1925年就在Arlington地區(qū)對(duì)自然條件下瀝青路面的溫度狀況進(jìn)行了實(shí)測工作。雖然各國對(duì)瀝青路面溫度場的研究取得了顯著的成果，但是對(duì)瀝青路面溫度應(yīng)力的研究就相對(duì)較少。這主要因?yàn)閷?duì)瀝青路面的溫度應(yīng)力進(jìn)行實(shí)測非常困難。國內(nèi)在瀝青路面溫度場以及溫度應(yīng)力的研究方面，嚴(yán)作人[1]，吳贛昌[2]，郝培文等[3]的研究較為突出。其中，嚴(yán)作人[1]利用傳熱學(xué)原理導(dǎo)出了氣候條件下路面溫度場的解析解；吳贛昌[2]對(duì)半剛性基層瀝青路面進(jìn)行了計(jì)算分析，得出了路面結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力的變化規(guī)律等。

鑒于此，筆者利用ANSYS有限元軟件對(duì)甘肅地區(qū)常用半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析。結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際環(huán)境條件，對(duì)三維模型施加空氣溫度以及太陽輻射等溫度荷載，得出并分析該路面結(jié)構(gòu)的溫度場以及溫度應(yīng)力的變化規(guī)律，為甘肅地區(qū)半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一些參考意見。

1 瀝青路面結(jié)構(gòu)及參數(shù)的確定

眾所周知，瀝青路面結(jié)構(gòu)以及材料參數(shù)，特別是材料參數(shù)的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到計(jì)算結(jié)果的精確度。因此筆者在路面結(jié)構(gòu)的選取以及材料參數(shù)的取值上查閱了大量的當(dāng)?shù)匚墨I(xiàn)資料，并且進(jìn)行了調(diào)研。

1.1 代表瀝青路面結(jié)構(gòu)的確定

甘肅地區(qū)高速公路多數(shù)采用半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，其中應(yīng)用的較多的是3層瀝青面層(4 cm+5 cm+6 cm)，20 cm的水泥穩(wěn)定碎石基層以及35 cm的二灰碎石底基層。為了便于瀝青路面結(jié)構(gòu)的溫度場以及溫度應(yīng)力分析，筆者將3層面層合為1層，具體如表1[4]。

表1 甘肅半剛性基層瀝青路面代表結(jié)構(gòu)

1.2 溫度場分析參數(shù)的確定

在運(yùn)用傳熱學(xué)原理計(jì)算瀝青路面結(jié)構(gòu)溫度場時(shí)，需要確定以下幾種熱分析參數(shù)，即導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、密度、太陽輻射吸收率以及路面發(fā)射率等。其中，導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容受溫度以及材料的屬性影響較大。此外，瀝青路面面層直接暴露在大氣環(huán)境中，其受環(huán)境影響較大，而瀝青層以下部分由于瀝青層的覆蓋受外界環(huán)境的影響相對(duì)較小。因此筆者在考慮上述參數(shù)的同時(shí)參考鄒玲[5]，高峰[6]的研究，擬定的材料熱分析參數(shù)如表2。

表2 半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)溫度場參數(shù)

1.3 溫度應(yīng)力分析參數(shù)的確定

瀝青路面結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力的分析是建立在上述溫度場的基礎(chǔ)之上，主要需要彈性模量、泊松比以及溫縮系數(shù)3種材料參數(shù)。筆者在參考周繼業(yè)[7]，李煒光等[8]的研究的基礎(chǔ)上，擬定材料參數(shù)如表3。

表3 半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力參數(shù)

(續(xù)表3)

溫度應(yīng)力參數(shù)溫度T/℃-30-20-1001020路基勁度模量S/MPa50溫縮系數(shù)aT/℃-1500×10-6泊松比μ0.35

2 半剛性瀝青路面溫度場分析

2.1 外界環(huán)境條件的確定

瀝青路表直接暴露在外界環(huán)境中，主要有3種熱傳遞方式，即太陽對(duì)路表的輻射、空氣與路表的熱對(duì)流以及路表對(duì)空氣的輻射作用。筆者通過查詢中國氣象局的資料知[4]，1月是甘肅地區(qū)最冷的月份，并且得到甘肅蘭州1月某日氣溫變化以及1月平均太陽輻射資料，整理后如圖1。

圖1 蘭州1月某日氣溫變化及平均輻射分布Fig.1 Temperature variation of one day and average radiation pattern in January of Lanzhou

2.2 瀝青路面結(jié)構(gòu)有限元模型的建立

筆者利用ANSYS有限元分析軟件，按照以上確定的半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)及其參數(shù)建立三維有限元模型，單元選用SOLID70，模型的大小為5 m×5 m×5 m，如圖2。其中，Z方向?yàn)槁访娼Y(jié)構(gòu)深度方向，X

和Y分別為橫向和行車方向。為了方便問題的分析計(jì)算，假定路面各結(jié)構(gòu)層連續(xù)且各向同性；層與層之間不考慮熱阻問題。此外，邊界條件的設(shè)定，為路基底部為恒溫邊界(0 ℃)，X和Y邊界均為絕緣邊界。

圖2 甘肅半剛性瀝青路面三維有限元模型Fig.2 Three-dimensional finite element model of semi-rigid asphalt pavement in Gansu

瀝青路面是典型的灰體，筆者利用太陽輻射吸收率來考慮太陽對(duì)瀝青路表的熱輻射；空氣與瀝青路面之間的熱傳遞屬于流體與固體模式，筆者利用對(duì)流換熱系數(shù)予以表征；在瀝青路表賦加表面單元SUR152，并設(shè)定額外節(jié)點(diǎn)，并通過路面發(fā)射率參數(shù)的設(shè)定來模擬路面與空氣之間的長波輻射。

2.3 瀝青路面在不同時(shí)刻時(shí)溫度場的分布

筆者利用ANSYS有限元軟件對(duì)上述路面結(jié)構(gòu)及其參數(shù)建立有限元模型，并對(duì)其施加溫度荷載，最后得出甘肅半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)中溫度場的分布，如圖3。

圖3 瀝青路面各深度處的溫度隨時(shí)間變化Fig.3 The temperature of asphalt pavement with various depth changing with time

由圖3可見，甘肅地區(qū)半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)溫度場在一天中呈現(xiàn)先減小，再增大，最后再減小的變化規(guī)律。由圖3易知，上述半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)路表溫度的變化幅度最大；隨著深度的加深，結(jié)構(gòu)中溫度的變化幅度逐漸降低。其中，路表溫度的變化幅度為21.65 ℃，且瀝青層深度每增加1 cm，溫度變化幅度下降1.19 ℃；當(dāng)深度達(dá)到15 cm時(shí)，即瀝青層底，此處的溫度變化幅度僅為3.8 ℃。瀝青路表在凌晨04:00左右達(dá)到最低溫度(-8.32 ℃)，在下午13:30左右達(dá)到最高溫度(13.33 ℃)；在04:00到13:30這個(gè)時(shí)間段中，瀝青路表溫度隨時(shí)間的變化梯度為2.28 ℃/h。

在低溫階段，無論是瀝青層還是基層層頂與層底之間的溫差的變化規(guī)律均為先增大到峰值，再逐漸減小。在凌晨04:00左右瀝青層路表和層底之間出現(xiàn)最大溫差，即為6.14 ℃；在08:00左右基層層頂和層底之間出現(xiàn)最大溫差，即為2.01 ℃。其中，在凌晨04:00，面層結(jié)構(gòu)溫度沿著深度方向的變化梯度為0.41 ℃/cm；在08:00，基層結(jié)構(gòu)溫度沿著深度方向的變化梯度為0.101 ℃/cm。

2.4 面層厚度對(duì)瀝青路面溫度場分布的影響

瀝青面層的厚度對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)溫度場的影響較大，現(xiàn)擬定以下結(jié)構(gòu)(見表4)，利用ANSYS有限元軟件定量研究這一因素對(duì)半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)溫度場的影響，計(jì)算結(jié)果如圖4。

表4 不同厚度面層的瀝青路面結(jié)構(gòu)數(shù)

圖4 不同面層厚度條件下的路面結(jié)構(gòu)溫度分布Fig.4 Temperature distribution of pavement structure with different layer thickness

由圖4可見，隨著面層厚度的改變，瀝青路面中溫度場也隨之變化；瀝青層頂和層底的溫度差隨著面層厚度增加逐漸增大，基層層頂和層底的溫度差隨著面層厚度的增加逐漸減小。當(dāng)面層厚度在12～15 cm時(shí)，厚度每增加1 cm，瀝青層頂與層底間的最大溫差增加8.3 %，基層層頂與層底間的最大溫差降低15.2 %；當(dāng)面層厚度在15～18 cm時(shí)，厚度每增加1 cm，瀝青層頂與層底間的最大溫差增加3.8%，基層層頂與層底間的最大溫差降低15.6 %。

隨著瀝青面層厚度的增加，瀝青層中熱流量的傳遞速度相對(duì)提高。因此在低溫階段瀝青路表的溫度隨著面層厚度的增加稍微降低，在高溫階段稍微增加。對(duì)于瀝青層溫度分布梯度而言，隨著面層厚度的增加，瀝青層溫度分布梯度逐漸減小。當(dāng)面層厚度為18 cm時(shí)，面層厚度每降低3 cm，瀝青層分布梯度分別增加7.9%和0.12%。由此可見，在面層厚度為12～15 cm時(shí)，瀝青層溫度梯度十分接近，此范圍內(nèi)面層厚度的變化對(duì)瀝青層溫度梯度影響忽略不計(jì)。

2.5 基層厚度對(duì)瀝青路面溫度場分布的影響

溫度對(duì)半剛性基層的抗拉強(qiáng)度的影響基本可以忽略不計(jì)，但是隨著基層溫度分布梯度增大，對(duì)半剛性基層產(chǎn)生的拉應(yīng)力逐漸增大，因此有必要研究基層厚度對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)溫度場的影響。

結(jié)合給定的不同基層厚度的路面結(jié)構(gòu)(表5)，利用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行計(jì)算分析，得出基層厚度對(duì)半剛性瀝青路面的影響，如圖5。

表5 不同厚度基層的瀝青路面結(jié)構(gòu)

圖5 不同基層厚度條件下的路面結(jié)構(gòu)溫度分布Fig.5 Temperature distribution of pavement structure with different base thickness

由圖5可知，基層厚度的變化對(duì)瀝青層溫度場的分布影響較小，而對(duì)基層溫度場影響相對(duì)較大。當(dāng)基層厚度從15 cm增加到25 cm時(shí)，瀝青路表的溫度減小了0.034%，因此可以忽略不計(jì)。當(dāng)基層厚度逐漸增加時(shí)，基層層頂與層底間的溫度差逐漸增大。在低溫階段，當(dāng)基層厚度15～20 cm時(shí)，厚度每增加1 cm，基層層頂與層底間的溫度差增加10.9%；當(dāng)基層厚度20～25 cm時(shí)，厚度每增加1 cm，基層層頂與層底間的溫度差增加3.1%。基層溫度分布梯度隨著基層厚度的增加逐漸減小。當(dāng)基層厚度從25 cm每減小5 cm，基層溫度分布梯度降低30.1%和29.8%。

因此，甘肅地區(qū)路表溫度在1月份的變化幅度為21.65 ℃，且瀝青層深度每增加1 cm，溫度變化幅度下降1.19 ℃。瀝青層頂和層底的溫度差隨著面層厚度增加逐漸增大，基層層頂和層底的溫度差隨著面層厚度的增加逐漸減小，而瀝青層溫度分布梯度隨著面層厚度的增加逐漸減小。在面層厚度為15～18 cm之間時(shí)，面層厚度每減小3 cm，瀝青層分布梯度增加7.9%；面層厚度在12～15 cm之間變化時(shí)，瀝青層分布梯度變化不明顯。基層溫度分布梯度隨著基層厚度的增加逐漸減小，而基層層頂與層底之間的最大溫度差隨著基層厚度的增加而增加。當(dāng)基層厚度在15～25 cm之間時(shí)，基層厚度每減少5 cm，基層溫度分布梯度降低30%左右。

3 半剛性瀝青路面溫度應(yīng)力分析

溫縮裂縫已經(jīng)成為甘肅省半剛性瀝青路面常見的破壞形式。溫縮裂縫主要發(fā)生在冬季寒冷季節(jié)。瀝青路面材料遇冷收縮而產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過其抗拉強(qiáng)度時(shí)即產(chǎn)生溫縮裂縫。鑒于此，有必要對(duì)甘肅半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力進(jìn)行分析。筆者采用ANSYS有限元軟件進(jìn)行溫度應(yīng)力的計(jì)算。其中，參考溫度是計(jì)算溫度應(yīng)力的重要參數(shù)，其取值的正確與否直接關(guān)系到求解得到的溫度應(yīng)力的精確度。結(jié)合上述溫度場的計(jì)算，筆者設(shè)定瀝青層參考溫度為1.2 ℃，基層參考溫度為-0.5 ℃，底基層以及土基采用0 ℃為參考溫度。

筆者對(duì)于甘肅半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力的研究是建立在以上溫度場的基礎(chǔ)之上，因此沿用以上已建立的有限元模型。筆者在此利用了ANSYS有限元軟件中的“再計(jì)算”功能，并用單元轉(zhuǎn)換功能將Solid70轉(zhuǎn)化為Solid185單元。此外，邊界條件設(shè)立如下：X和Y兩方向的邊界沒有水平方向位移；土基底部采用全固定的模式。

3.1 面層厚度對(duì)瀝青路面的溫度應(yīng)力分布的影響

結(jié)合以上溫度場的研究，利用ANSYS有限元軟件瀝青路面結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力進(jìn)行研究，其中，瀝青路面結(jié)構(gòu)的厚度詳見表4。計(jì)算結(jié)果如圖6。

圖6 不同面層厚度條件下的瀝青層和基層溫度應(yīng)力分布Fig.6 Temperature stress distribution of asphalt layer and base with different layer thickness

由圖6(a)可知，瀝青層溫度應(yīng)力在一天中有著不同的變化，瀝青層溫度應(yīng)力的變化主要受瀝青層溫度場的影響。在一天中，瀝青層溫度拉應(yīng)力呈先增大后減小再增大的變化趨勢，其中，瀝青層還會(huì)出現(xiàn)溫度應(yīng)力為負(fù)值的情況，即為壓應(yīng)力，這主要是因?yàn)樘栞椛涞某霈F(xiàn)導(dǎo)致瀝青層溫度的升高并超過設(shè)定的參考溫度。瀝青層溫度應(yīng)力出現(xiàn)的最不利時(shí)刻是凌晨4∶00，此時(shí)瀝青路表出現(xiàn)一天中最大的拉應(yīng)力1.75 MPa。參考相關(guān)瀝青混合料低溫性能的研究知，在-8 ℃時(shí)，瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度大約在2.5 MPa[9-10]。雖然此時(shí)不會(huì)發(fā)生拉破壞，但是溫度應(yīng)力是循環(huán)作用，因此在瀝青混合料設(shè)計(jì)時(shí)有必要考慮在極端溫度下材料的疲勞強(qiáng)度。此外，瀝青層的溫度應(yīng)力隨著深度的增大，溫度應(yīng)力逐漸減小；不同面層厚度也使得溫度應(yīng)力在面層中有著不同的下降梯度。其中，越趨于路表瀝青層溫度應(yīng)力變化越大。對(duì)于瀝青層上半部分而言，18，15，12 cm面層隨著深度加深，溫度應(yīng)力下降梯度分別為116.65，105.07，83.45 kPa/cm；面層厚度由12 cm每增加3 cm，瀝青層中溫度應(yīng)的下降梯度減小25.91%和11.02%。由此可見面層厚度對(duì)瀝青層溫度應(yīng)力的影響較大，瀝青層厚度越大，瀝青層中溫度應(yīng)力下降的梯度越大，但是隨著面層厚度的增大，瀝青層溫度應(yīng)力隨深度下降的梯度的變化幅度卻減小。對(duì)于瀝青層下半部分言，18，15，12 cm面層隨著深度加深，溫度應(yīng)力下降梯度分別為55.23，89.92，136.42 kPa/cm，即隨著面層厚度的增加，瀝青層下半部分的溫度應(yīng)力的下降梯度逐漸減小。因此，18，15，12 cm面層厚度對(duì)應(yīng)的瀝青層上半部分的溫度應(yīng)力的下降梯度是瀝青層下半部分的2.1，1.17，0.61倍。由此對(duì)比可知，瀝青面層越厚，靠近路表的瀝青層上半部分溫度應(yīng)力擴(kuò)散的越快，導(dǎo)致瀝青層下半部分所承擔(dān)的溫度應(yīng)力越小，溫度應(yīng)力下降的梯度也驟然減小。

由圖6(b)可知，不同面層厚度對(duì)半剛性基層溫度應(yīng)力影響較為明顯。半剛性基層中溫度應(yīng)力在一天中的變化與瀝青層相似，由于面層厚度的不同，基層溫度拉應(yīng)力的最大值出現(xiàn)的時(shí)刻有所區(qū)別。12，15，18 cm面層厚度所對(duì)應(yīng)的半剛性基層最大溫度應(yīng)力出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)分別為7∶00，8∶30，9∶30。半剛性基層中的溫度應(yīng)力在基層頂部達(dá)到最大，而在層底最小。12，15，18 cm面層厚度所對(duì)應(yīng)的半剛性基層最大溫度應(yīng)力分別為276.42，216.13，174.89 kPa。查閱相關(guān)資料知，半剛性基層容許拉應(yīng)力在250 kPa左右，很顯然此時(shí)12 cm面層所對(duì)應(yīng)的基層最大溫度應(yīng)力偏大，會(huì)降低路面結(jié)構(gòu)的使用性能。此外，隨著面層厚度的減少，基層溫度應(yīng)力逐漸增大；當(dāng)面層厚度為18 cm時(shí)，厚度每減小3 cm，基層最大溫度應(yīng)力增加23.58 %和27.90 %。

3.2 基層厚度對(duì)瀝青路面的溫度應(yīng)力分布的影響

半剛性基層通常充當(dāng)瀝青路面結(jié)構(gòu)承重層的作用，半剛性基層厚度的設(shè)定非常的重要。因此在此有必要研究半剛性基層厚度對(duì)瀝青路面溫度應(yīng)力的影響。其中，基層結(jié)構(gòu)厚度的取值如表5，計(jì)算結(jié)果如圖7。

圖7 不同面層厚度條件下的瀝青層和基層溫度應(yīng)力分布Fig.7 Temperature stress distribution of asphalt layer and base with different layer thickness

由圖7可知，不同的基層厚度對(duì)瀝青層溫度應(yīng)力基本沒有影響，而對(duì)半剛性基層本身的溫度應(yīng)力有著一定的影響。25，20，15 cm基層厚度對(duì)應(yīng)的基層最大溫度應(yīng)力分別為212.53，216.13，225.25 kPa。25，20，15 cm基層厚度對(duì)應(yīng)的基層承擔(dān)的平均溫度應(yīng)力分別為112.79，118.50，132.50 kPa。當(dāng)基層厚度為25～20 cm時(shí)，基層厚度每減少5 cm，基層所承擔(dān)的平均溫度應(yīng)力下降5.06%；當(dāng)基層厚度為20～15 cm時(shí)，基層厚度每減少5 cm，基層所承擔(dān)的平均溫度應(yīng)力下降11.82%。25，20，15 cm基層厚度對(duì)應(yīng)的基層溫度應(yīng)力沿著厚度下降的梯度分別為7.98，9.76，12.37 kPa/cm。由此可知，隨著基層厚度的增加基層內(nèi)部沿深度方向下降的溫度應(yīng)力梯度逐漸減小，而且當(dāng)基層厚度為20 cm時(shí)，基層厚度減小時(shí)基層承擔(dān)的平均溫度應(yīng)力增大的幅度是基層厚度增大時(shí)平均溫度應(yīng)力減小的幅度的2.34倍。

由以上分析可知，面層厚度對(duì)瀝青層溫度應(yīng)力的影響較大，瀝青層厚度越大，瀝青層中溫度應(yīng)力下降的梯度越大，但是隨著面層厚度的增大，瀝青層溫度應(yīng)力隨深度下降的梯度的變化幅度卻減小。瀝青面層越厚，靠近路表的瀝青層上半部分溫度應(yīng)力擴(kuò)散的越快，導(dǎo)致瀝青層下半部分所承擔(dān)的溫度應(yīng)力越小，溫度應(yīng)力下降的梯度也驟然減小。18，15，12 cm面層厚度對(duì)應(yīng)的瀝青層上半部分的溫度應(yīng)力的下降梯度是瀝青層下半部分的2.1，1.17，0.61倍。面層厚度由12 cm每增加3 cm，瀝青層中溫度應(yīng)力的下降梯度減小25.91%和11.02%，即面層厚度在12～15 cm變化要比面層厚度為15～18 cm變化所導(dǎo)致的瀝青層溫度應(yīng)力下降梯度大得多。隨著面層厚度的減小，基層溫度應(yīng)力逐漸增大；當(dāng)面層厚度為18 cm時(shí)，厚度每減小3 cm，基層最大溫度應(yīng)力增大25%左右；當(dāng)面層厚度為12 cm時(shí)，半剛性基層最大溫度應(yīng)力偏大，不利于結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能，建議增加面層厚度。此外，基層厚度為20 cm時(shí)，基層厚度減小時(shí)基層承擔(dān)的平均溫度應(yīng)力增大的幅度是基層厚度增大時(shí)平均溫度應(yīng)力減小的幅度的2.34倍。

4 結(jié) 論

1)瀝青層頂和層底的溫度差隨著面層厚度增加逐漸增大，而瀝青層溫度分布梯度隨著面層厚度的增加逐漸減小。在面層厚度為15～18 cm時(shí)，面層厚度每減小3 cm，瀝青層分布梯度增加7.9%；面層厚度在12～15 cm變化時(shí)，瀝青層分布梯度變化不明顯。

2)基層層頂和層底的溫度差隨著面層厚度的增加逐漸減小，基層溫度分布梯度隨著基層厚度的增加逐漸減小，而基層層頂與層底之間的最大溫度差隨著基層厚度的增加而增加。當(dāng)基層厚度在15～25 cm時(shí)，基層厚度每減少5 cm，基層溫度分布梯度降低30%左右。

3)面層厚度對(duì)瀝青層溫度應(yīng)力的影響較大，瀝青層厚度越大，瀝青層中溫度應(yīng)力下降的梯度越大，但是隨著面層厚度的增大，瀝青層溫度應(yīng)力隨深度下降的梯度的變化幅度卻減小。面層厚度由12 cm每增加3 cm，瀝青層中溫度應(yīng)力的下降梯度減小25.91%和11.02%，即面層厚度在12～15 cm變化要比面層厚度為15～18 cm變化所導(dǎo)致的瀝青層溫度應(yīng)力下降梯度大得多。

4)瀝青面層越厚，靠近路表的瀝青層上半部分溫度應(yīng)力擴(kuò)散得越快，瀝青面層越厚，瀝青層上半部分溫度應(yīng)力擴(kuò)散得越快，瀝青層下半部分溫度應(yīng)力擴(kuò)散得越慢。18，15，12 cm面層厚度對(duì)應(yīng)的瀝青層上半部分的溫度應(yīng)力的下降梯度是瀝青層下半部分的2.1，1.17，0.61倍。

5)隨著面層厚度的減小，基層溫度應(yīng)力逐漸增大；當(dāng)面層厚度為18 cm時(shí)，厚度每減小3 cm，基層最大溫度應(yīng)力增大25%左右。其中，當(dāng)面層厚度為12 cm時(shí)，半剛性基層最大溫度應(yīng)力偏大，不利于結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能，建議增加面層厚度。

6)當(dāng)20 cm的基層厚度為基準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)，基層厚度減小時(shí)基層承擔(dān)的平均溫度應(yīng)力增大的幅度是基層厚度增大時(shí)平均溫度應(yīng)力減小的幅度的2.34倍。

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3D Finite Element Analysis of Temperature Field and Temperature Stress of Semi-rigid Asphalt Pavement Structure in Gansu Province

GUO Yinchuan,WANG Ligen, SHEN Aiqin, GU Pinpin, WAN Chenguang

(School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710064, Shaanxi, P.R.China)

Based on the semi-rigid base asphalt pavement with serious transverse crack in Gansu province, the temperature field and temperature stress of semi-rigid base asphalt pavement in this area were analyzed. With the help of ANSYS finite element software, the three-dimensional finite element model of semi-rigid asphalt pavement structure in Gansu was established and the heat loadings, such as the temperature and solar radiation, were applied. The variation rule of temperature field and temperature stress of semi-rigid asphalt pavement in Gansu was obtained by the solution, which provided some referential opinions to the designation of semi-rigid base asphalt pavement structure in Gansu. The results show that the change of the asphalt layer thickness has a great influence on the temperature stress and temperature field; the difference of temperature between the top and bottom of asphalt layer is increased with the increase of asphalt layer thickness, while the gradient of temperature distribution in the asphalt layer decreases with the increase of asphalt layer thickness; the asphalt surface layer is thicker, the faster the temperature stress of the upper half of asphalt layer diffuses, and the more slowly the temperature stress of the bottom half of asphalt layer diffuses.

highway engineering; semi-rigid basement; the finite element analysis; temperature field; temperature stress

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.03.06

2015-04-01；

2015-06-16

郭寅川(1983—)，男，江西九江人，副教授，博士，主要從事道路路面結(jié)構(gòu)方面的研究。E-mail:silver007007@163.com。

王禮根(1990—)，男，安徽六安人，碩士，主要從事道路路面方面的研究。E-mail:18182445303@163.com。

U443

A

1674-0696(2016)03-027-06