艾長發(fā) 黃大強 余孝麗 任東亞 邱延峻

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 四川 成都 610031； 2.道路工程四川省重點實驗室， 四川 成都 610031；3.中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司， 湖北 武漢 430063)

基于季節(jié)時溫的瀝青路面溫荷耦合動力性能分析*

艾長發(fā)1,2黃大強2,3?余孝麗1,2任東亞1,2邱延峻1,2

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 四川 成都 610031； 2.道路工程四川省重點實驗室， 四川 成都 610031；3.中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司， 湖北 武漢 430063)

為探究大溫差地區(qū)季節(jié)時溫變化對瀝青路面性能的影響規(guī)律，考慮瀝青混凝土的時溫粘彈性，采用數(shù)值模擬方法，針對兩種典型瀝青路面結(jié)構(gòu)——水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層(結(jié)構(gòu)S1)及級配碎石柔性基層(結(jié)構(gòu)S2)進行了基于季節(jié)時溫變化的路面結(jié)構(gòu)溫荷耦合動力行為與性能分析.結(jié)果表明：隨軸重增加、動載頻率降低、水平推力方向由與行車方向相反變?yōu)榕c行車方向相同以及層間狀態(tài)惡化，瀝青層層底應(yīng)力總體呈增大趨勢，疲勞壽命逐漸降低；路面溫度分布的變化對各結(jié)構(gòu)層拉應(yīng)力的影響表現(xiàn)為夏季顯著而冬季不顯著，且對于面層層底拉應(yīng)力，夏季小于冬季，高溫時刻小于低溫時刻，基層拉應(yīng)力則表現(xiàn)出相反的變化趨勢；雖然結(jié)構(gòu)S1的瀝青層在不同時溫下的疲勞壽命優(yōu)于結(jié)構(gòu)S2，但存在隨時溫改變而急劇波動的不足；相反，結(jié)構(gòu)S2波動小，性能穩(wěn)定，具有更好的環(huán)境適應(yīng)性.

瀝青路面；溫度荷載；車輛動荷載；耦合；動力行為；疲勞性能

隨著國家經(jīng)濟發(fā)展由東向西輻射，國家高速公路網(wǎng)絡(luò)建設(shè)重心已由東部沿海發(fā)達地區(qū)逐漸向中西部地區(qū)轉(zhuǎn)移，瀝青路面結(jié)構(gòu)的自然環(huán)境愈加苛刻，且重載交通日趨嚴重，這將導(dǎo)致其在高溫性能、疲勞損傷、耐久性等方面產(chǎn)生一些新的問題.但溫度對路面結(jié)構(gòu)性能的影響依然考慮不足，因此剖析溫度與車輛荷載多場耦合作用下的瀝青路面力學(xué)行為與作用機制是西部特殊環(huán)境下瀝青路面設(shè)計分析的理論基礎(chǔ).劉圣潔[1]根據(jù)實測資料分析了不同溫度分布狀態(tài)下瀝青路面的力學(xué)響應(yīng)；黃優(yōu)等[2]結(jié)合溫度因素研究層間結(jié)合狀況對復(fù)合式路面剪應(yīng)力的影響；艾長發(fā)等[3]分析了具有層間接觸特性的瀝青路面在不同溫度場狀況下與水平及豎向荷載耦合作用的靜力學(xué)響應(yīng)；申愛琴等[4]在施加太陽輻射等溫度荷載的同時施加車輛荷載，研究了半剛性瀝青路面在耦合場下的力學(xué)響應(yīng)量.對于在溫度與荷載等因素共同作用下的路面性能，研究者們也做了大量研究工作.顧興宇等[5]進行了不同溫度及車輛荷載條件下瀝青路面車轍變化規(guī)律的研究；黃兵等[6]分析了層間接觸狀態(tài)、溫度和軸載荷等因素對瀝青層底動應(yīng)變的影響規(guī)律，并構(gòu)建了瀝青層在這些因素作用下的疲勞方程表達式；郭芳等[7]分析了環(huán)境溫度變化時混合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的疲勞損傷特性；張麗娟等[8]對重復(fù)荷載作用下的瀝青混合料進行了粘彈性有限元分析及變形預(yù)測；張磊等[9]分析了CROP+AC復(fù)合式路面在溫度與荷載耦合作用下，CROP面板結(jié)構(gòu)損傷的演化規(guī)律以及裂縫張開閉合的行為特征；李凌林等[10]基于水平移動荷載作用下的瀝青路面響應(yīng)，分析了長大縱坡路段、城市交叉口及公交站臺處路面永久變形嚴重的原因；韋璐等[11]基于Miner疲勞累積損傷定理，分析了路表不同溫度及其組合對瀝青路面疲勞損傷的影響.上述研究對特殊環(huán)境下的瀝青路面結(jié)構(gòu)選型、病害產(chǎn)生機理及養(yǎng)護管理對策制定具有重要的參考價值，但研究中尚存在一定不足，例如，有關(guān)溫度與荷載的耦合力學(xué)行為，尚未進行由于季節(jié)時溫變化而導(dǎo)致路面性能存在差異的對比分析，同時在基于層間接觸模型的路面動力分析中，對瀝青混凝土性質(zhì)的時溫依懶性考慮不周，并忽略了水平荷載及其作用方向?qū)β访嫘阅艿挠绊?基于此，文中在已有研究的基礎(chǔ)上，從瀝青混合料動態(tài)模量試驗出發(fā)，擬合黏彈參數(shù)，模擬路面在溫度與行車動荷載耦合作用下的力學(xué)響應(yīng)，分析軸重、動載頻率、水平力系數(shù)及層間狀態(tài)等因素對不同季節(jié)、不同時溫條件下的路面動力響應(yīng)的影響規(guī)律，并基于典型瀝青路面疲勞壽命預(yù)估模型，定量評估季節(jié)時溫變化對動載作用下的瀝青層疲勞壽命的影響.

1 路面三維動載有限元模型

1.1 材料參數(shù)

現(xiàn)行規(guī)范路面設(shè)計計算采用基于車輛靜荷載的靜力計算法，材料模量取值采用靜態(tài)模量，但路面實際工作時所受的車輛荷載是動荷載，材料模量取值應(yīng)采用動態(tài)模量.本研究中，瀝青面層材料參數(shù)采用動態(tài)模量試驗獲取，基于試驗結(jié)果中的復(fù)數(shù)模量和相位角，采用Park等[12]提出的近似方法來獲取時間域的松弛模量E(t).采用剪切模量的PRONY級數(shù)形式和WLF方程實現(xiàn)瀝青面層材料的時間依賴性和溫度依賴性.為了獲取上述常數(shù)，采用AASHTO 2002柔性路面設(shè)計指南中的S形函數(shù)來擬合松弛模量數(shù)據(jù)[13].選定參考溫度為20 ℃，擬合確定3種瀝青混合料的WLF方程參數(shù)、PRONY級數(shù)、彈性參數(shù)，分別如表1-3所示，其中基層、底基層及路基采用典型值.

表1 瀝青面層材料WLF方程參數(shù)(參考溫度20 ℃)

Table 1 WLF equation parameters of asphalt surface layer material(reference temperature is 20 ℃)

混合料類型WLF方程參數(shù)C1C2SMA-1310.44126.62AC-2011.85121.67AC-2517.73169.33

表2 瀝青面層材料PRONY級數(shù)(參考溫度20 ℃)

Table 2 PRONY series of asphalt surface layer(reference temperature is 20 ℃)

iSMA-13AC-20AC-250.0010.262500.300980.345060.0100.235610.206570.173690.1000.220330.222480.224911.0000.204570.193900.1818310.0000.034590.035150.03577100.0000.028800.027220.02543

表3 路面材料動彈特征參數(shù)

1.2 荷載模型

以固定位置的沖擊荷載作為路面簡化動荷載場，模擬分析行車荷載效應(yīng)下瀝青路面動力響應(yīng).荷載形式采用單軸雙輪組垂直均布荷載，輪壓與接地面積隨軸載的增加逐漸增大，假定雙輪中心的間距保持不變，根據(jù)Heukelom和Klomp提出的輪載P與接地壓力p關(guān)系式

(1)

將不同超載率下的軸載換算為接地壓力，并由下式確定輪胎接地形狀的平面尺寸.

(2)

式中,Pi為換算軸載,P為標(biāo)準軸載,pi和p分別為相應(yīng)軸重的接地壓力,A為輪印面積,La為單輪長度,Lb為單輪寬度.

荷載集度變化參考Huang[14]在KENLAYER程序中的方法，荷載強度隨時間呈半正弦函數(shù)變化，具體荷載模型為

(3)

式中,Pmax為荷載強度峰值,t為動荷載作用時間；ω為動荷載作用頻率，

(4)

其中，v為車輛行駛速度，R為輪胎與地面的接地當(dāng)量圓半徑.

在考慮水平推力影響時，荷載峰值大小為

a=φg

(5)

式中:a為水平力加速度;φ為水平力與垂直力比值系數(shù)，隨車輛行駛狀態(tài)的變化，通常取值為0.2、0.5;g為重力加速度.

1.3 計算模型

瀝青路面結(jié)構(gòu)由上、中、下面層以及基層、底基層、路基組成，研究中考慮半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)S1和柔性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)S2共2種典型結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)形式如表4所示.模型平面尺寸為10 m×10 m，取1/4模型進行計算分析.進行動力分析時，各結(jié)構(gòu)層側(cè)面施加水平約束，對稱面施加對稱約束，路基底部施加豎向約束(z方向)，其中，橫向表示x方向，即垂直于行車方向,縱向表示y方向，即行車方向；豎向表示z方向，其負方向為路面厚度方向,計算模型如圖1所示.

表4 瀝青路面結(jié)構(gòu)形式

圖1 路面結(jié)構(gòu)計算模型

路面層間接觸狀態(tài)考慮完全連續(xù)狀態(tài)和不完全連續(xù)狀態(tài)，當(dāng)考慮層間不完全連續(xù)的接觸模型時，設(shè)置4個接觸面，如圖2所示，其中路基與底基層為完全連續(xù)狀態(tài)，采用綁定連接，而其余各層的粘結(jié)情況通過摩擦系數(shù)μ來考慮，層間完全光滑時取0，層間一般粘結(jié)時取1。

圖2 路面結(jié)構(gòu)接觸面示意圖

進行動力分析時，考慮路面結(jié)構(gòu)阻尼對動力響應(yīng)的影響，將路面結(jié)構(gòu)阻尼比ξ1、ξ2設(shè)為0.05，根據(jù)路面結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，得到第1階和第2階自振頻率ω1和ω2，算出相應(yīng)的Rayleigh阻尼比例系數(shù)α=3.776、β=6.56×10-4.

2 路面結(jié)構(gòu)實際溫度場

以ABAQUS有限元分析軟件為計算平臺，借助用戶子程序FILM、DFLUX，在太陽輻射、路面有效輻射、氣溫及對流熱交換作用下，模擬周期性變溫條件下路面結(jié)構(gòu)的溫度場[15-16].在已有的瀝青路面溫度場研究結(jié)果基礎(chǔ)之上，通過施加動載計算分析路面結(jié)構(gòu)動力響應(yīng).針對表4中典型的結(jié)構(gòu)S1、S2，以與外界直接接觸的上面層頂面溫度極值為依據(jù)，選取夏冬兩季一天內(nèi)各具代表性的高低溫兩個時刻(t=6:00，t=14:00)的溫度場作為路面結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析的典型溫度場，如表5所示.

表5 瀝青路面頂面溫度狀況

1)“數(shù)據(jù)1/數(shù)據(jù)2”表示對應(yīng)的結(jié)構(gòu)S1、S2的溫度，余同.

3 沖擊荷載作用下的動力響應(yīng)分析

在分析動力響應(yīng)結(jié)果時，計算點位選取輪印中心，提取整個時程曲線內(nèi)的動力響應(yīng)峰值作為分析對象.

3.1 荷載參數(shù)變化對路面結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的影響

在軸重影響分析中，動載頻率取21.74 s-1(對應(yīng)行車速度為100 km/h)，軸重依次取60、100、140、180、220以及260 kN；在動載頻率分析中，軸重取100 kN，動載頻率依次為4.36、8.70、12.99、17.24、21.74以及26.32 s-1，相對應(yīng)的行車速度分別為20、40、60、80、100以及120 km/h.

車輛行駛過程中存在水平推力作用，且加減速狀態(tài)不同，水平推力作用的方向也不同，由此引起的路面動力響應(yīng)有別于僅考慮豎向荷載的情況.文中對路面所受水平荷載作如下假設(shè)：①車輛對路面施加豎向與水平綜合荷載作用，水平及豎向荷載在荷載接觸面上均呈均勻分布，且作用周期相同；②考慮車輛行駛狀態(tài)的改變，水平荷載大小可按式(5)計算，水平力系數(shù)正值表示其作用方向與行車方向一致，負值表示其作用方向與行車方向相反.在水平推力影響分析中，軸重取100 kN，荷載沖擊頻率取21.74 s-1.

在不同季節(jié)時溫條件下，各結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)力隨軸重大小、動載頻率、水平力系數(shù)等荷載參數(shù)變化的規(guī)律如圖3-5所示.

1)隨著荷載軸重的增加，結(jié)構(gòu)S1、S2各結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)力響應(yīng)峰值與荷載大小之間呈線性增長關(guān)系，變化速率與結(jié)構(gòu)層及時溫狀況相關(guān).

2)隨動載頻率的提高，荷載在計算點位的作用時間將逐步縮短，進而削弱動載效應(yīng)在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的擴散，最終影響路面結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng).表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)S1和S2其面層層底拉應(yīng)力響應(yīng)峰值與動載頻率之間呈先增后減的變化趨勢，而對基層層底應(yīng)力幾乎無影響，變化速率也與結(jié)構(gòu)層及時溫狀況相關(guān).

圖3 軸重對各結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)力的影響

Fig.3 Effect of axle load on the tensile stress at the bottom of each structure

圖4 動載頻率對各結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)力的影響

Fig.4 Effect of dynamic load frequency on the tensile stress at the bottom of each structure

圖5 水平力對各結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)力的影響

Fig.5 Effect of horizontal force on the tensile stress at the bottom of each structure

3)水平荷載僅對面層層底拉應(yīng)力有影響，對基層層底拉應(yīng)力基本不構(gòu)成影響.面層在不同水平荷載情況下的拉應(yīng)力響應(yīng)均表現(xiàn)為：隨著車輛水平推力由與行車方向相反變?yōu)榕c行車方向相同，應(yīng)力峰值呈線性增大，分析結(jié)果有力證明了當(dāng)重載車輛在高速運行過程中緊急制動時，對路面面層結(jié)構(gòu)受力極為不利.

4)對于面層層底：①在相同荷載參數(shù)作用下，面層層底拉應(yīng)力在高溫時刻的響應(yīng)峰值小于低溫時刻的響應(yīng)峰值，且夏季小于冬季；冬季時溫改變對結(jié)構(gòu)S1、S2的拉應(yīng)力影響均不顯著，但夏季時溫改變對結(jié)構(gòu)S1的拉應(yīng)力影響顯著，對結(jié)構(gòu)S2影響不顯著;②在相同荷載參數(shù)和時溫狀況作用下，結(jié)構(gòu)S1面層所受拉應(yīng)力小于結(jié)構(gòu)S2.

5)對于基層層底：①結(jié)構(gòu)S2基層層底在不同時溫所受拉應(yīng)力均為負值，而結(jié)構(gòu)S1均受正拉應(yīng)力作用，因此在時溫與動載作用下，結(jié)構(gòu)S1基層更容易產(chǎn)生受拉破壞，進一步證明半剛性基層在高寒大溫差地區(qū)的適用性受到嚴峻考驗，而柔性基層具有明顯優(yōu)勢；②與面層層底響應(yīng)不同，相同荷載參數(shù)下的結(jié)構(gòu)S1、S2基層層底應(yīng)力在高溫時刻的響應(yīng)峰值大于低溫時刻的響應(yīng)峰值，且夏季大于冬季；時溫改變對應(yīng)力影響的顯著性表現(xiàn)為夏季明顯大于冬季.

3.2 層間狀況對路面結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的影響

在層間狀況影響分析中，軸重取100 kN，動載頻率取21.74 s-1，不考慮水平荷載的影響.各結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)力響應(yīng)隨層間狀況和時溫變化的規(guī)律如圖6所示.

1)對于面層層底：隨著層間接觸狀態(tài)的改善，面層層底拉應(yīng)力顯著減小，在高溫時刻的響應(yīng)峰值小于低溫時刻的響應(yīng)峰值，且夏季小于冬季.

Fig.6 Effect of influence of layer contact condition on the tensile stress at the bottom of each structure

2)對于基層層底：①連續(xù)模型中，結(jié)構(gòu)S2基層層底在不同時溫所受拉應(yīng)力均為負值，而在接觸模型中均為正值，但結(jié)構(gòu)S1均受正拉應(yīng)力作用;②與面層層底響應(yīng)不同，結(jié)構(gòu)S1基層層底拉應(yīng)力隨著層間接觸狀態(tài)由一般粘結(jié)變?yōu)橥耆辰Y(jié)時變化不顯著，且結(jié)構(gòu)S1、S2基層層底應(yīng)力在高溫時刻的響應(yīng)峰值大于低溫時刻的響應(yīng)峰值，同時夏季大于冬季.

3)通過對連續(xù)模型和接觸模型在不同時溫條件下層底拉應(yīng)力的變化對比可知：層間接觸狀態(tài)并不改變時溫狀況對瀝青路面結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的影響規(guī)律.

4 瀝青路面疲勞壽命分析

選取美國地瀝青協(xié)會瀝青混合料疲勞壽命預(yù)估模型[17]，提取有限元計算模型下面層層底所受ε應(yīng)用于Nf，進行瀝青路面結(jié)構(gòu)在不同軸重、動載頻率、層間狀態(tài)、溫度時刻作用下的疲勞壽命對比分析.

Nf=0.265 9×104.84×(VFA-0.69)×

(6)

式中，Nf為瀝青混合料的疲勞壽命，ε為彎拉應(yīng)變，E*為動模量，VFA為瀝青飽和度.

計算參數(shù)分別為：取瀝青路面下面層層底拉應(yīng)變?yōu)槠趶澙瓚?yīng)變；通過松弛模量主曲線以及動模量和松弛模量的轉(zhuǎn)換關(guān)系來考慮溫度條件及動載作用時間對路面結(jié)構(gòu)下面層材料屬性的影響，采用與溫度及行車速度相對應(yīng)的動態(tài)模量；瀝青飽和度為67.2%.疲勞壽命結(jié)果如圖7所示.

圖7 不同瀝青路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命的對比

Fig.7 Comparison of fatigue life of different asphalt pavement structures

通過瀝青面層在夏季高溫時刻與冬季低溫時刻的疲勞壽命比值來定量評估時溫改變對瀝青層疲勞壽命的影響，結(jié)果如表6所示.

表6 不同工況下的瀝青層疲勞壽命比值

Table 6 Ratio of fatigue life of asphalt layer under different working conditions

荷載參數(shù)工況變化瀝青層疲勞壽命比值/%結(jié)構(gòu)S1結(jié)構(gòu)S2動載頻率21.74s-1軸重100kN軸重260kN1.632.024.514.92軸重100kN動載頻率4.36s-1動載頻率26.32s-13.060.996.113.45軸重100kN動載頻率21.74s-1水平力系數(shù)-0.51.544.33水平力系數(shù)0.51.744.59軸重100kN動載頻率21.74s-1層間狀態(tài)完全粘結(jié)1.634.51層間狀態(tài)完全光滑3.314.26

隨瀝青路面結(jié)構(gòu)溫度狀況由低溫時刻變?yōu)楦邷貢r刻或由冬季變?yōu)橄募?，瀝青層疲勞壽命會顯著降低；對比兩種路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命的大小，可知結(jié)構(gòu)S1瀝青層在不同時溫下的疲勞壽命優(yōu)于結(jié)構(gòu)S2，但其疲勞壽命隨溫度時刻改變而急劇波動，表明該結(jié)構(gòu)對外界環(huán)境溫度變化適應(yīng)性不好.

隨軸重增加、動載頻率降低、水平推力方向由與行車方向相反變?yōu)榕c行車方向相同以及層間狀態(tài)惡化，瀝青層疲勞壽命均逐漸降低，說明車輛超載行駛、低速行駛、緊急剎車及層間粘結(jié)不良等因素均會對瀝青面層使用壽命造成不利影響，這些因素也是引起瀝青路面早期疲勞開裂的重要原因之一.

由表6可知，不同因素作用下，季節(jié)時溫變化對瀝青層疲勞壽命的影響趨勢存在差異.當(dāng)動載頻率增大或水平推力方向由“反向”變“正向”時，路面時溫變化對結(jié)構(gòu)S1、S2的瀝青層疲勞壽命影響均逐漸增大，可當(dāng)軸重增加時，時溫變化對疲勞壽命的影響則逐漸減??；但當(dāng)層間接觸狀態(tài)由完全粘結(jié)變?yōu)橥耆饣瑫r，時溫變化對結(jié)構(gòu)S1瀝青層疲勞壽命的影響有所增大，而對結(jié)構(gòu)S2的影響有所降低.

在溫度與動載耦合作用下，季節(jié)時溫變化對瀝青層疲勞壽命大小波動的影響程度表現(xiàn)為：結(jié)構(gòu)S2<結(jié)構(gòu)S1，因此柔性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)在溫荷耦合作用下，季節(jié)時溫變化對其疲勞壽命大小波動影響較小，表現(xiàn)出具有更好的環(huán)境適應(yīng)性.

5 結(jié)論

文中從瀝青混合料動態(tài)模量試驗出發(fā)，擬合黏彈參數(shù)，模擬路面在溫度與行車動荷載耦合作用下的力學(xué)響應(yīng)，分析各因素對路面動力響應(yīng)的影響規(guī)律，結(jié)果表明：

1)隨著軸重增加，面層及基層層底拉應(yīng)力響應(yīng)峰值線性增大；隨動載頻率增大，面層層底拉應(yīng)力響應(yīng)峰值先增后減，基層層底拉應(yīng)力則幾乎無變化；水平荷載僅對面層層底拉應(yīng)力有影響；隨著層間狀態(tài)的改善，其拉應(yīng)力響應(yīng)峰值呈相似減小關(guān)系，且層間狀態(tài)并不改變季節(jié)時溫狀況對路面結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響規(guī)律.

2)在一定荷載參數(shù)或?qū)娱g狀況條件下，冬季瀝青路面溫度分布的變化對各結(jié)構(gòu)層拉應(yīng)力的影響不顯著，而夏季影響顯著；面層層底拉應(yīng)力響應(yīng)峰值均表現(xiàn)為高溫時刻小于低溫時刻，夏季小于冬季，基層層底拉應(yīng)力響應(yīng)峰值則表現(xiàn)為相反的變化規(guī)律.

3)隨路面溫度由低溫時刻變?yōu)楦邷貢r刻、軸重的增加、動載頻率的降低、水平推力方向由與行車方向相反變?yōu)榕c行車方向相同以及層間狀態(tài)惡化，瀝青層疲勞壽命均逐漸降低.

4)半剛性結(jié)構(gòu)S1瀝青層在不同時溫下的疲勞壽命雖優(yōu)于柔性結(jié)構(gòu)S2，但在服役過程中，其疲勞壽命存在隨溫度時刻改變而急劇波動的不穩(wěn)定性，且結(jié)構(gòu)S1基層更容易產(chǎn)生受拉破壞；相反，柔性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)在服役過程中其疲勞壽命受不同時刻溫荷耦合作用的波動小，表現(xiàn)出更好的環(huán)境適應(yīng)性及性能穩(wěn)定性.

[1] 劉圣潔.基于江西南部地區(qū)溫度條件的瀝青路面健康性能預(yù)測 [D].西安：長安大學(xué)，2015.

[2] 黃優(yōu)，劉朝暉，李盛，等.不同層間結(jié)合狀態(tài)下剛?cè)釓?fù)合式路面的剪應(yīng)力分析 [J].公路交通科技，2015,32(6):32-38,61. HUANG You,LIU Zhao-hui,LI Sheng,et al.Analysis of shear stress of rigid-flexible composite pavement under different interlaminar bonding conditions [J].Journal of Highway and Transportation Research and Development,2015,32(6):32-38,61.

[3] 艾長發(fā)，邱延峻，毛成，等.考慮層間狀態(tài)的瀝青路面溫度與荷載耦合行為分析 [J].土木工程學(xué)報,2007,40(12):99-104. AI Chang-fa,QIU Yan-jun,MAO Cheng,et al.Simulation of the temperature and load coupling effect on asphalt pavement considering inter-layer conditions [J].China Civil Engineering Journal,2007,40(12):99-104.

[4] 申愛琴，王禮根，萬晨光，等.耦合場下吐魯番半剛性瀝青路面三維有限元分析 [J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2016,35(1):40-45. SHEN Ai-qin,WANG Li-gen,WAN Chen-guang,et al.3D finite element analysis on coupling field of semi-rigid asphalt pavement structure in turpan [J].Journal of Chon-gqing Jiaotong University(Natural Science),2016,35(1):40-45.

[5] 顧興宇，袁青泉，倪富健.基于實測荷載和溫度梯度的瀝青路面車轍發(fā)展影響因素分析 [J].中國公路學(xué)報，2012,25(6):30-36. GU Xing-yu,YUAN Qing-quan,NI Fu-jian.Analysis of factors on asphalt pavement rut development based on measured load and temperature gradient [J].China Journal of Highway and Transport,2012,25(6):30-36.

[6] 黃兵，艾長發(fā)，陽恩慧，等.考慮層間狀態(tài)的瀝青面層動應(yīng)變疲勞數(shù)值分析 [J].西南交通大學(xué)學(xué)報,2014,49(4):682-686. HUANG Bing,AI Chang-fa,YANG En-hui,et al.Numerical analysis of dynamic strain and fatigue characteristics of asphalt layer considering interlayer condition [J].Journal of Southwest Jiaotong University,2014,49(4):682-686.

[7] 郭芳，付宏淵，邵臘庚.基于環(huán)境溫度變化的混合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)疲勞損傷分析 [J].中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2015,46(5):1869-1875. GUO Fang,FU Hong-yuan,SHAO La-geng.Fatigue da-mage analysis of composite base asphalt pavement structure based on change of ambient temperature [J].Journal of Central South University(Science and Technology),2015,46(5):1869-1875.

[8] 張麗娟，陳頁開.重復(fù)荷載下瀝青混合料變形的粘彈性有限元分析 [J].華南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2009,37(11):12-16. Zhang Li-juan,Chen Ye-kai.Viscoelastic finite element analysis of deformation of asphalt mixtures under repeated load [J].Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition),2009,37(11):12-16.

[9] 張磊，黃衛(wèi)，王斌，等.考慮溫度與荷載耦合作用的連續(xù)配筋混凝土復(fù)合式路面損傷分析 [J].土木工程學(xué)報，2011,44(1):108-114. ZHANG Lei,HUANG Wei,WANG Bin,et al.Analysis of the damage of CRCP+ AC camposite pavement under therm alm echanical coupling conditions by FEM [J].China Civil Engineer Ing Journal,2011,44(1):108-114.

[10] 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(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2011,39(3):125-129. LI Ling-lin,HUANG Xiao-ming.Permanent deformation of asphalt pavement under horizontal moving load [J].Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition),2011,39(3):125-129.

[11] 韋璐，KAYSER Sascha，WELLNER Frohmut.路表溫度對瀝青路面疲勞損傷的影響 [J].公路交通科技，2013,30(1):1-5,16. WEI Lu,KAYSER Sascha,WELLNER Frohmut.Impact of surface temperature on fatigue damage in asphalt pavement [J].Journal of Highway and Transportation Research and Development,2013,30(1):1-5,16.

[12] PARK S W,SCHAPERY R A.Methods of interconversion between linear viscoelastic material functions.Part I-A numerical method based on Prony series [J].International Journal of Solids and Structures,1999,36(11):1653-1675.

[13] AASHTO.Guide for mechanistic-empirical design of new and rehabilitated pavement structurres [R].[S.l.]:NCHRP,2002.

[14] HUANG Y H.Pavement analysis and design [M].The 2nd Edition.New Jersey:Prentice Hall,2004.

[15] 廖公云，黃曉明.ABAQUS有限元軟件在道路工程中的應(yīng)用 [M].南京：東南大學(xué)出版社，2008.

[16] 莊茁，張帆，岑松，ABAQUS非線性有限元分析與實例 [M].北京：科學(xué)出版社，2005.

[17] AI.Research and development of the asphalt institute is thickness design manual(MS-1)[R].9th ed. [S.l.]:Asphalt Institute,1982.

Dynamic Performance Analysis of Asphalt Pavement Under Moving Vehicle Load and Seasonal Temperature Variation

AIChang-fa1,2HUANGDa-qiang2,3YUXiao-li1,2RENDong-ya1,2QIUYan-jun1,2

(1.Civil Engineering School, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, Sichuan, China;2. Highway Engineering Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu 610031, Sichuan, China;3.China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd., Wuhan 430063, Hubei, China)

In order to reveal the effect of seasonal temperature variation in the areas with large temperature difference on the performance of asphalt pavement, this paper takes into consideration the time-temperature viscoelasticity of asphalt concrete, and performs numerical simulations to analyze the dynamic behavior and performance under moving vehicle load and seasonal temperature variation for two kinds of typical asphalt pavement structures. One is the structure with a semi-rigid base layer containing cement-stabilized macadam (structure S1) and the other with a flexible base layer containing graded aggregate materials (structure S2). The results show that (1) with the increase of axle load, the decrease of dynamic load frequency, the change of horizontal thrust direction from the opposite to the same direction of the moving vehicle, or with the deterioration of interlayer conditions, the stress at the bottom of the asphalt layer generally increases, while the fatigue life gradually decreases; (2) the variation of pavement temperature distribution significantly influences the tensile stress of each structural layer in summer but slightly influences the stress in winter; (3) at the bottom of the surface layer, the tensile stress in summer or at high temperature is less than that in winter or at low temperature, while the base layer shows an opposite trend in this regard; and (4) although the fatigue lifetime of the asphalt layer of structure S1 under various age and temperature conditions is longer than that of structure S2, it has a deficiency of drastic fluctuation, while S2 has a relative stable fatigue behavior and a superior environmental adaptability.

asphalt pavement; temperature load; vehicle dynamic load; coupling; dynamic behavior; fatigue property

2016-06-27

國家自然科學(xué)基金資助項目(51378438);西南交通大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(SWJTU12ZT05) Foundation item: Supported by the National Natural Science Foundation of China(51378438)

艾長發(fā)(1975-),男，博士，副教授，主要從事路面結(jié)構(gòu)與材料研究.E-mail：cfai@home.swjtu.edu.cn

? 通信作者: 黃大強(1991-),男，助理工程師，主要從事路面結(jié)構(gòu)與材料研究.E-mail：835701139@qq.com

1000-565X(2017)04-0066-08

U 414

10.3969/j.issn.1000-565X.2017.04.010