基于ANSYS的倒装沥青路面结构温度场及温度应力模拟分析

2019-09-08 版权声明 举报文章

摘 要: 针对目前倒装沥青路面结构温度场及温度应力的研究较少的情况,采用有限元方法分析了倒装沥青路面结构瞬态温度场,并进行了温度应力分析,通过分析得出倒装路面结构半刚性层温度最高值低于普通沥青路面结构,且最高、最低变化幅度明显低于普通沥青路面结构,因此,在半刚性层上铺设级配碎石和沥青碎石,能较大程度改善半刚性层顶部的温度变化幅度,可减小由半刚性层温缩引起的反射裂缝。

关键词: 倒装沥青路面结构;温度场;温度应力;ANSYS模拟分析

中图分类号:TU57+1 文献标识码:A

引言

我国半刚性基层沥青路面结构在使用过程中逐渐暴露出反射裂缝严重、抗水害能力差、使用寿命短等问题,为克服这些缺点,出现了倒装结构[1]。外部环境温度是沥青路面车辙和温缩裂缝产生的重要因素,国内外对沥青路面温度场及温度应力已经进行了大量的研究,并取得了成果[2]。但这些研究多以半刚性基层沥青路面为主,因此,本文以典型倒装路面结构为例,采用ANSYS对倒装结构温度场和温度应力模拟分析,为倒装路面车辙和温缩裂缝的防治提供参考。

图1 典型倒装沥青路面结构 图2 典型普通沥青路面结构

一、计算模型与温度场

(一)计算模型

取倒装结构和普通沥青路面结构(图1、2)进行对比分析。本文运用ANSYS有限元软件,对沥青路面结构路面温度场进行求解,路面结构有限元模型见图3。选取 ANSYS 有限元数值分析所需的参数包括:结构层几何参数、路面材料热物性参数、路表面热交换系数、气象数据、近路表面气温和地温,数据见表1。表1 计算参数汇总表

图3 路面结构有限元模型

(二)基本假定

对路面结构温度场作如下假设:路面各结构层为均质的各向同性体;不考虑路面结构温度场的横向分布;假设路面各层材料间接触紧密,温度和热流连续,即忽略各层之间的接触热阻;不考虑各层材料的热物性参数受温度变化的影响;路面结构温度场的研究以“天”为变化周期,研究其日变化过程。

(三)倒装结构与普通沥青路面结构半刚性层温度场的对比

半刚性层的温度状况将很大程度上影响温缩裂缝的开展,以下取典型倒装与普通沥青路面(图1、2)进行温度场数值模拟,以明确两种沥青路面

结构中半刚性层温度场状况。图4为倒装与普通沥青

路面结构的半刚性层温度场对比图。从图中可以看出

无论是夏季高温还是冬季低温气候,倒装路面结构半

刚性层温度最高值低于普通沥青路面结构半刚性层、

而最低值则与普通沥青路面接近,且最高最低变化幅

度明显低于普通沥青路面结构,可见,在半刚性层上

铺设级配碎石和沥青碎石,有助于降低该层顶部的温

度变化幅度与该层内部温度梯度,减少半刚性层的温

度应力,有利于减少温度疲劳裂缝。

图4 倒装与普通路面结构的半刚性层温度场

图5 倒装(左)和普通(右)沥青路面结构内部竖向应力沿深度变化曲线

二、温度应力分析

(一)温度应力模拟结果

根据上述温度场模型,对路面结构进行温度应力分析。土基泊松比取0. 35,其他各层泊松比取0. 25。冬季低温时温度应力随深度变化曲线如图5所示。

(二)温度应力结果分析

从图5可看出, 路面结构内部竖向应力总体变化趋势都是随着深度的增加而增大。倒装结构半刚性层顶面温度应力约为0. 0083MPa,普通沥青路面结构半刚性层顶面温度应力达0. 02MPa,是倒装结构的2.4倍。倒装结构面层层底温度应力约为0. 0026MPa,而普通沥青路面结构面层层底温度应力约为0. 016MPa,是倒装结构的6倍。这说明级配碎石层降低了面层层底和半刚性层顶面附近的应力,从而减少了路面产生温度裂缝的可能性。

三、结论

倒装路面结构半刚性层温度最高值低于普通沥青路面的半刚性层,且最高最低变化幅度明显低于普通沥青路面结构,因此,在半刚性层上铺设级配碎石和沥青碎石,较大程度改善了半刚性层顶部的温度变化幅度,相应地减小由半刚性层温缩引起的反射裂缝。通过温度应力分析也可以看出,级配碎石层极大地降低了沥青面层底和半刚性层顶面附近应力,从而减少半刚性层受到温度破坏开裂的可能性。

参考文献:

[1] 钟梦武.高速公路倒装结构沥青路面厚度研究[J].公路工程,2007,32(4):25-27.

[2] 胡小圆.沥青路面温度场的测试与分析[D].西安:长安大学,2011.

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