旧水泥混凝土路面沥青加铺层温度应力的探讨

摘要：文章基于路面温度场理论，采用ANSYS程序建立旧水泥混凝土路面沥青加铺层结构温度应力有限元模型，分析了降温幅度、加铺层厚度和土工布夹层材料模量及典型防止反射裂缝措施对旧路接缝处沥青加铺层底温度应力的影响，为选择合理材料和设计参数进行沥青加铺层设计提供参考。

关键词：旧水泥混凝土路面 沥青加铺层 有限元分析

1、路面温度场理论

处于复杂温度环境中的路面结构的内部温度达到平衡状态时会产生热流，在某时刻t的热流可用温度场来描述。若路面结构某质点在直角坐标系中的坐标为（x，y，z），则其在t时刻的温度可由温度场T来表征，如式1所示。

T=T（x，y，z，t） （1）

其温度梯度可表示为：

1.1热传导方程

设路面结构第i层厚度为hi，导热系数为λi，导温系数为ai（其中i=1，2，3，…n），其t时刻温度场为Ti=Ti（x，y，z，t），令g0=h1、gi= ，则Ti=Ti（x，y，z，t）满足式3所示热传导方程。

1.2层间接触边界条件

若路面各结构层间接触条件良好，则相互接触的上下两层的温度Ti、Ti+1是连续的，即Ti在层间边界上满足热传导学中第四类边界条件（因层间脱空产生的热阻值很小，可忽略不计），如式4所示。

由于地热作用，路基足够深处的温度场T随时间及 深 度 的变化均不明显，可忽略不计，即可视T（x，y，∞，t） 为常数。

1.3路表边界条件

在加铺层表面处z=0，温度场函数Ti还应满足路表边界条件，即第一类边界条件，如式5所示

2、温度应力有限元分析模型

在进行沥青加铺层温度应力状态分析时，视路面结构为弹性层状体[5，6]，研究对象为根据旧路状况拟定的加铺层路面结构，由沥青加铺层、级配沥青碎石应力过渡层、土工布夹层、带接缝的旧水泥混凝土路面和基础层组成。其中旧水泥面板长度为5m，宽度为3.75m，厚度为25cm；地基采用扩大尺寸来模拟，以体现其弹性半空间体特性，其尺寸为12.01m×5.75m×9m，如图1所示。

3、沥青加铺层温度应力分析

沥青加铺层结构层材料和参数选取的合理与否会对其温度应力产生很大影响。因此，有必要在建立沥青加铺层结构有限元模型的基础上，通过固定其他参数而改变某一参数的方法来分析接缝处沥青加铺层底的温度应力状态，为沥青加铺层材料和结构参数

选取提供合理化参考。其分析指标为沥青加铺层底接缝处的最大主应力σ1、最大剪应力τmax和等效应力σe。考虑到大多数地区昼夜温差不大（通常不超过20℃），故进行加铺层结构温度应力分析时，可取T=0℃为参考温度，并以此为基础各上升和下降10℃。当温度下降时，接缝处沥青加铺层底处于受拉状态而倾向开裂，故温度应力分析时只考虑降温影响。

3.1 降温幅度对沥青加铺层温度应力的影响

当降温幅度以T=-10℃为基准，按-5℃的间隔逐级变化到-25℃时，沥青加铺层底接缝处温度应力与降温幅度的变化关系如图2所示。

由图2可以看出，随着降温幅度的逐次增大，沥青加铺层底接缝处的最大主应力σ1、最大剪应力τmax和等效应力σe基本上呈线性增加。当降温幅度由T=-10℃变化到-30℃时，σ1、τmax和σe分别由0.176 MPa、0.087 MPa和0.158 MPa增 加 到0.534 MPa、0.267 MPa和0.484MPa，三者的增幅均在200%左右。由此可见，较大的降温幅度会使接缝处沥青加铺层内形成温度应力集中，对加铺层结构产生严重影响。

3.2土工布夹层模量对沥青加铺层温度应力的影响

在沥青加铺层与旧水泥混凝土路面间设置土工布夹层是常用的防止反射裂缝措施之一。土工布夹层厚度通常相差不大，拉伸模量却有较大的差别，因此要考虑土工布（拉伸）模量对其防止反射裂缝效果的影响。在有限元分析时，为体现土工布材料仅承受拉力而不传递弯矩的特性，采用三维薄膜单元进行模拟，其 模 量 由0MPa（无 土 工 布 夹 层 ）变 化 至3000 MPa。温度应力与土工布夹层模量的变化关系如图3所示

图3温度应力与土工布夹层模量变化关系图

由图3可以看出，加铺层底接缝处的最大主应力σ1、最大剪应力τmax和等效应力σe均随土工布夹层模量的增加而逐渐减小。对于实体加铺层路面结构，当土工布夹层模量约为2000 MPa时，三者的变化幅度趋于稳定，此时σ1=0.170 MPa、τmax=0.084 MPa、σe=0.153 MPa，比不设置土工布夹层的工况（σ1=0.191 MPa、τmax=0.097 MPa、σe=0.172MPa）分别下降了11.0%、15.5%和11.0%。可见，当已设置级配沥青碎石过渡层时，土工布夹层模量的变化对缓解温度应力的作用并不显著。

4、结论

本文依托某旧水泥混凝土路面加铺改造工程，以温度场作用下的旧路结构及其上所设级配沥青碎石过渡层、土工布夹层、应力吸收层等典型防止反射裂缝结构层与沥青加铺层的组合结构为研究对象，利用ANSYS有限元法对其进行数值模拟，分析各结构层厚度和材料参数变化对沥青加铺层底温度应力状态的影响，为选择合理材料和设计参数进行沥青加铺层设计提供参考。