文档介绍：第26 卷第4 期
沈阳建筑大学学报( 自然科学版)
Journal of Shenyang Jianzhu University (Natural Science)
Jul . 2 0 1 0
Vol . 26,No . 4
收稿日期:2009 - 09 - 27
基金项目:国家自然科学基金项目(50471081);住房和城乡建设部科学技术项目(06 - K7 - 3)
作者简介:任德斌(1960—),男,教授,博士,主要从事结构强度与损失的有限元模拟研究.
文章编号:1671 - 2021(2010)04 - 0699 - 05
沥青路面温度应力的有限元分析
任德斌,苏博
(沈阳建筑大学土木工程学院,辽宁沈阳110168)
摘要:目的研究温度变化与道路结构内温度应力的关系对不同季节时的道路各结构层的影
响. 方法采用有限单元法对路面结构的二维平面模型进行模拟沥青路面温度场,并将路面温
度作为外部荷载与结构进行耦合. 对路面结构在日周期温度作用下的温度场和应力场进行系
统地分析. 结果总结出不同季节沥青路面的温度以及温度应力的变化规律. 冬季时节路表温
度应力幅度约为0. 45 MPa,夏季时节路表的温度应力变化的幅度高达0. 95 MPa. 夏季和冬季
比较,夏季炎热的时间段对路面更容易产生破坏. 结论冬季温度变化对沥青路面的影响仅限
于路表,基层及以下土层处于稳定的受拉状态,夏季炎热季节温度变化对路面的影响较大,较
大反复的压应力对路面结构是一个比较严重的破坏过程.
关键词:沥青路面;温度场;热应力;有限单元法
中图分类号:TU398. 2 文献标志码:A
有限单元法在土木工程领域中得到广泛应
用,对结构的强度与损伤的数值模拟计算是很有
效的方法[1]. 沥青路面的破坏是多种因素造成
的,其中环境温度的变化是不容忽视的重要因素
之一. 炎热的夏天,沥青路面在太阳辐射的影响
下,路面结构内会产生不稳定热流,构成了路面的
温度场,使路面体内产生温度应力,当温度应力超
过路面结构材料的抗拉强度时,沥青路面就会受
到损伤;在寒冷的冬季,路面还要经受低温的考
验[2 - 5]. 笔者针对这种温度变化产生的温度应力
对沥青路面开裂、破坏的影响,采用有限单元法,
建立了沥青路面二维有限元模型,定性的分析沥
青路面各层的温度应力.
1 气候调查和温度转换
根据我国北方地区典型的气候条件,选择沈
阳市7 月份、1 月份的温度进行计算. 计算日的气
候条件如表1 所示( 表中:T max
a
为日最高气温;
T min
a
为日最低气温;Qr
为太阳辐射日总量;v 为日
平均风速).
表1 气候条件
Tab. 1 Clima conditions
月- 日Tmax
a /℃ Tmin
a /℃ Qr /(MJ·m - 2 ) v /(m·s - 1 )
07 - 25 32 21 94 1. 2
01 - 24 - 5 - 20 10 1. 0
采用长安大学公路学院的气温与地表经验公
式进行换算[6 - 7],沥青路面地表温度为
Tr max = 1. 5837Tmax
a - 1. 2470,
Tr min = 1. 0893Tmin
a + 0. 2146 { ,
(1)
式中: Tr max
,Tr min
分别为路面的最高、最低温
度,℃.
为计算温度应力的变化,选择一种典型的路
面结构,各部分材料参数如表2 所示. 路面结构各
层尺寸:沥青混凝土面层15 cm,水泥砂砾土基层
20 cm,二灰土底基层30 cm,以下是土基,结构示
意图如图1 所示.
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表2 路面各结构层材料参数
Tab. 2 The pavement layer material properties
结构层
弹性模量/
MPa
泊松比
导热系数/
(W·m - 1·K - 1 )
密度/
(kg·m - 3 )
比热容/
(J·kg - 1·K - 1 )
线弹性系
数/10 - 5K
沥青混凝土1 800 0. 25 1. 0 2 000 900 2. 0
水泥稳定碎石1 200 0. 25 1. 2 1 800 860 1. 0
二灰土800 0. 25 1. 1 1 550 980 1. 1
土基40 0. 35 1. 0 1 700 705 50
图1 路面纵断面模型示意图
Fig. 1 Road model schematic vertical section
2 计算模型的建立与有限元网格划
分
2. 1 计算模型的