摘要：基于传低温期的气候特点，采用有限元软件ABAQUS对本文对半刚性沥青路面结构温度场进行了模拟，分析了不同时刻路面内部温度随外界环境的变化规律，进一步的研究了再周期性气候作用下的路面结构内部温度应力，为低温期沥青路面结构设计提供理论依据。

关键词：低温地区，沥青路面结构，温度场，温度应力

沥青路面暴露在大气环境中，不仅经受大自然环境的考验，还要承受交通荷载的压力，特别是半刚性基层沥青路面温缩性能较差，在昼夜温差大、降温速率快及低温期长的高寒地区，半刚性基层更容产生收缩，收缩变形受到约束而产生相应的温度应力，在周期性温度影响下产生周期性的温度应力，周期性温度应力引起路面结构材料反复的收缩膨胀而开裂，以及温度应力与交通荷载共同作用下产生的耦合应力会进一步导致反射裂缝发生，这些裂缝从半刚性基层会继续向上扩展至面层，最终产生贯穿面层的反射裂缝，极大地缩短了沥青路面的使用寿命。本文采用有限元方法并结合高寒地区周期性气候环境，分析了路面结构温度场和温度应力，为高寒地区沥青路面结构设计提供理论支持。

1路面结构参数及有限元模型

1.1路面结构和材料参数与气候数据

为了模拟分析高寒地区沥青路面温度场和温度应力，首先需要提供路面结构和材料参数见表1-表2，外界的气候环境见表3，选取的气候数据是2016年1月份温度最低的一天作为计算温度。

1.2有限元模型及边界条件

（1）有限元模型

该计算模型的几何尺寸设为高(Y)3m，长(Z)6m，宽(X)6m，为了保证计算精度，轮迹带网格加密；对于网格类型，在进行热传导分析时采用传热单元，在温度应力分析时采用三维应力单元。用于路面结构的温度场模拟，单元类型为DC3D8（8节点线性热传递模块），路面结构有限元模型如图1所示。 

                  图2 路面结构有限元模型

（2）边界条件

对于沥青路面结构，一般假设水平方向的温度梯度为零。因此，侧面的边界条件可以不予考虑，其主要的边界为表面边界及底部边界。

2 温度场分析

（1）4天路面结构温度场分布

路面初始温度场确定的准确与否直接影响到路面温度应力的准确性，由于外界气温的变化引起路面结构的变化，且路面结构的变化具有滞后性，本文将1天的气温在路面结构上作用3天，研究3天的温度场变化，3天的路表温度分布如图3所示，可以看出，经过3个周期的计算，路面初始温度场已经达到稳定，其变化规律与外界大气温度变化趋势一致，但是路表面温度受外界影响大，路表面高低温差距较大；但是随着路面深度的加深，9cm处路面结构内部温度变化不敏感，最高温度-12℃，第2天和第3天的路面结构内部温度也已经保持稳定。因此，经过3个周期的计算，路面结构内部温度场变化已经处于稳定，只用研究第3天的温度变化即可。

                      图3 3天路面结构温度变化

（2）第3天路面结构温度场分布云图

热传递分析步时间设置为72h，取第三天的计算数据。

为了更清晰的显示不同时刻路面温度变化的过程，展示了0、6、12、15、18、23时刻的温度云图，如图4所示。可以发现，0时刻路面最高温度大约在路面下面层，从0-6时刻，最高温度向面层上方传递；由6-12时刻随着大气温度升高，路表面路面升高较快，面层最高温度范围变大；由12-15时刻，随着大气温度稍微降低，路面最高温度达到最大值，路面温度的升高与大气变化有一定滞后性；15-18时刻之后随着大气温度继续降低，面层温度逐渐降低，最高温度向基层传递；18-23时刻，路面最高温度继续向下传递，这种变化趋势与大气温度变化基本一致。 

                      图4 不同时刻路面温度云图

3 温度应力分析

3.1编辑材料属性及分析步

温度应力是路面结构体随温度变化产生的热胀冷缩效应，但由于边界条件的约束，无法自由伸缩而在内部产生的应力。温度应力模型是在温度场模型的基础上，通过添加材料温缩系数、改变分析步等方式得到。

在温度场模型的基础上，删除导热系数与比热两个材料特性，添加表5的材料属性，材料的力学参数参照表2。

删除原温度场模型的分析步，创建step-1（静力，通用）时长72，固定增量类型，增量步大小取1，温度应力模型的边界条件同道路模型相同。

3.2 温度应力

本文计算的最大温度应力结果，也就是Mises应力，Mises应力指的是各个方向的综合值，其实就是材料力学里面讲的第四强度相当应力，超过材料屈服应力材料将被破坏。主要考虑到计算温度的一些假设，路面个结构层是一个匀质体，只沿道路深度方向存在温度传递。

由图5可以看出，温度应力随深度的增加而减小，最大温度应力出现在路表；降温幅度大，产生的温度应力也大，增加的幅度随深度的增加而减小，尤其是20时刻以后随着外界温度的降低，路面结构内部的降温速率更快；温度仅对11cm深范围内的温度应力影响大，深度11cm～47cm内，温度应力变化小，此时对结构的影响已可忽略不计。在相同的起始温度下，降温速率愈快，产生的温度应力愈大。因此，实际工程中一定要考虑到沥青面层材料在高寒区环境下降温速率对力学响应的影响，供选择适合高寒区的沥青和沥青混合料。

               图6眼道路深度方向最大温度应力变化

4 小结

（1）半刚性沥青路面结构面层受外界温度影响最大，各路面结构层的温度场变化与外界气温曲线大致相同，路面结构温度最大值出现在15时左右，12时的路面温度沿深度方向跨度最大，且沿路面深度方向温度梯度逐渐减小。

（2）在周期性气候作用下，研究一天极端温度对路面结构温度场的影响，需要将一天温度计算最少3天，第三天的路面结构温度场可以作为温度应力计算的初始状态。

（3）温度应力随深度的增加而减小，最大温度应力出现在路表；降温幅度大，产生的温度应力也大，增加的幅度随深度的增加而减小

参考文献

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