夏冬季壩頂瀝青路面溫度應(yīng)力三維有限元分析

　　摘要:為合理評(píng)價(jià)溫度對(duì)水庫壩頂瀝青路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響，文章選取冬季低溫與夏季高溫2種工況，建立瀝青路面三維有限元模型進(jìn)行模擬分析。研究結(jié)果表明:瀝青面層受溫度變化的影響最大，且夏季較冬季更為明顯。夏季溫度應(yīng)力破壞以壓應(yīng)力為主，冬季則以拉應(yīng)力為主。道路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，宜在水穩(wěn)基層設(shè)置伸縮縫以控制溫度應(yīng)力的破壞。

　　關(guān)鍵詞:壩頂路面;裂縫破壞;溫度應(yīng)力;三維有限元

　　瀝青路面混合料是由礦料與瀝青結(jié)合料按一定比例拌合而成，具有較好彈塑性和較強(qiáng)溫度敏感性，其結(jié)構(gòu)力學(xué)性能與溫度間存在顯著關(guān)聯(lián)特性[1-2]。由于受氣溫變化、太陽輻射和地面反射等因素的影響，瀝青路面開裂、車轍和推移雍包等結(jié)構(gòu)破壞均與溫度場(chǎng)分布及變化規(guī)律有關(guān)[3-6]。夏季高溫和冬季低溫季節(jié)，高溫?zé)崦浐偷蜏乇鶅龅韧獠凯h(huán)境條件，通過輻射、傳導(dǎo)和對(duì)流等形式沿瀝青路面深度方向由高溫向低溫產(chǎn)生復(fù)雜的溫度變換，導(dǎo)致路面產(chǎn)生裂縫破壞[7-8]。

　　水利論文投稿刊物：《廣東水利水電》(月刊)創(chuàng)刊于1972年，由廣東省水利水電科學(xué)研究院主辦。 本刊是廣東省水利水電系統(tǒng)唯一持有國家統(tǒng)一刊號(hào)和國際標(biāo)準(zhǔn)刊號(hào)的綜合性水利水電技術(shù)刊物，國內(nèi)外公開發(fā)行。刊物的欄目設(shè)置涵蓋水利水電及相關(guān)行業(yè)的各個(gè)方面。讀者對(duì)象為水利水電、土木工程、水運(yùn)、航道整治、環(huán)境工程、水土保持、城鎮(zhèn)給排水等行業(yè)從事規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、管理及科研工作的科技人員、管理干部和有關(guān)院校的師生。

　　鑒于此，本文結(jié)合前城子水庫工程實(shí)例，利用ANSYS有限元對(duì)壩頂瀝青路面在夏季高溫和冬季低溫條件下的溫度應(yīng)力分布狀況及梯度變換規(guī)律進(jìn)行模擬分析，掌握溫度變化對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)受力影響，以期為工程除險(xiǎn)加固時(shí)路面結(jié)構(gòu)合理設(shè)計(jì)提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐，確保工程高效優(yōu)質(zhì)地施工建設(shè)[9-11]。

　　1瀝青路面溫度場(chǎng)關(guān)聯(lián)性函數(shù)

　　1.1瀝青路面周期性變溫特性

　　水庫大壩壩頂瀝青路面除了受車道荷載和車載荷載作用外，還受運(yùn)行環(huán)境周期性氣候變化的影響。瀝青路面結(jié)構(gòu)溫度由不同時(shí)間和不同深度的溫度效應(yīng)組成，經(jīng)太陽照射、空氣對(duì)流和內(nèi)部熱傳遞等形式進(jìn)行熱量的交換。太陽輻射量、有效日照時(shí)長(zhǎng)、最高最低溫差以及風(fēng)速、風(fēng)量等，均是影響瀝青路面溫度應(yīng)力變化的主要因素。當(dāng)溫度變化作用到瀝青路面結(jié)構(gòu)時(shí)，就會(huì)引起結(jié)構(gòu)應(yīng)力場(chǎng)及應(yīng)變場(chǎng)發(fā)生改變[12-13]。由于庫區(qū)環(huán)境氣候條件呈周期性變化，作用在瀝青路面結(jié)構(gòu)中的溫度場(chǎng)也具有周期性變換特性。因此，可以在假定模型某些約束條件和邊界條件的基礎(chǔ)上，對(duì)瀝青路面上的溫度應(yīng)力進(jìn)行詳細(xì)模擬分析。

　　1.2溫度場(chǎng)關(guān)聯(lián)性函數(shù)

　　溫度場(chǎng)與溫度在時(shí)間域和空間域間的分布特性有關(guān)，其關(guān)聯(lián)性函數(shù)為:T=T(x，y，z，t)(1)式中，t—時(shí)間域;x，y，z—空間域。當(dāng)瀝青路面結(jié)構(gòu)溫度不隨時(shí)間域變化時(shí)，則有�礣�祎=0，相應(yīng)溫度場(chǎng)只與空間域變化有關(guān)，即T=T(x，y，z)，此時(shí)路面處于穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)。當(dāng)瀝青路面結(jié)構(gòu)溫度在深度方向保持恒定時(shí)，則有�礣�祕(mì)=0，相應(yīng)溫度場(chǎng)只與結(jié)構(gòu)層溫度變化有關(guān)，即T=T(x，y，t)，此時(shí)路面結(jié)構(gòu)受平面溫度場(chǎng)的影響。

　　路面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后基本處于穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)環(huán)境，此時(shí)時(shí)間域影響幾乎可以忽略，但受路面結(jié)構(gòu)組成和外界環(huán)境的影響，溫度場(chǎng)會(huì)沿等溫面切線和法向逐漸變化[14]。溫度梯度可以反應(yīng)瀝青路面結(jié)構(gòu)層間的溫度變化率，即:ΔT=n0�礣�祅=i�礣�祒+j�礣�祔+k�礣�祕(mì)(2)式中，n0—等溫面法向梯度變化單位矢量;i，j，k—等溫面在x，y，z空間域中的溫度變化單位矢量�？紤]水庫壩頂路面實(shí)際環(huán)境條件，對(duì)模擬模型施加空氣溫度、太陽輻射等溫度荷載，在穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)環(huán)境下，探究溫升、溫降等環(huán)境因素對(duì)瀝青路面溫度應(yīng)力的影響及變化規(guī)律，可為除險(xiǎn)加固路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一些參考依據(jù)。

　　2溫度應(yīng)力三維有限元建模

　　2.1模型構(gòu)建基本條件

　　在進(jìn)行瀝青路面溫度應(yīng)力分析時(shí)，以粘彈性層狀結(jié)構(gòu)及穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)為理論條件[15-16]，采用ANSYS軟件構(gòu)建三維有限元模型，并提出以下假設(shè)條件:(1)壩頂路面面層、墊層及土基等結(jié)構(gòu)層各向?qū)ΨQ且連續(xù)，層內(nèi)均為各向同性的粘彈性材料。(2)結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)為常數(shù)，不隨溫度變化而變化;層內(nèi)溫度場(chǎng)間對(duì)稱、溫度及熱流連續(xù)。(3)溫度在法向方向分布為線性，只考慮溫度翹曲應(yīng)力，暫不考慮內(nèi)應(yīng)力。

　　2.2計(jì)算參數(shù)及三維模型

　　基于壩頂瀝青路面粘彈性層狀結(jié)構(gòu)的基本假設(shè)，設(shè)置模型為對(duì)稱邊界條件，層間同性且完全連續(xù)，底面固定無水平位移。選取壩軸線指向溢洪道方向?yàn)閤方向，垂直指向下游方向?yàn)閥方向，兩個(gè)方向分別取0.1、0.15m。根據(jù)壩頂?shù)缆穼?shí)際厚度及最大凍深，設(shè)垂直于面層向下為z方向，沿z方向各結(jié)構(gòu)層厚度分別為瀝青面層0.2m、石灰土墊層0.15m及基層1.15m。

　　選用Plane55熱單元和Plane42二維實(shí)體單元對(duì)壩頂?shù)缆愤M(jìn)行溫度荷載分析，前者取溫度1個(gè)自由度，后者取x、y方向平移的2個(gè)自由度。瀝青路面結(jié)構(gòu)三維模擬模型網(wǎng)格劃分。

　　3瀝青路面溫度應(yīng)力三維模擬分析

　　3.1工程概況

　　前城子水庫位于遼寧省朝陽市建平縣小塘鎮(zhèn)七家村，所在河流為四漢城河，是老哈河的二級(jí)支流，始建于1975年，是一座以防洪為主﹑灌溉為輔的小(Ⅰ)型水庫。水庫所在流域?qū)儆诒睖貛Ъ撅L(fēng)氣候，夏季多雨炎熱，冬、春少雨干燥，一年四季變化分明且規(guī)律。根據(jù)朝陽氣象局資料，庫區(qū)多年平均最大風(fēng)速15.44m/s。無霜期125～160d，初霜期在9月下旬，終霜期在5月上旬。多年平均日照數(shù)為2800～2900h，是遼寧省內(nèi)日照時(shí)間最長(zhǎng)地區(qū)。冬季平均最低溫度約11℃，夏季平均最高溫度約32℃，最大凍深1.2m左右。水庫壩頂高程633.48m，壩頂路面長(zhǎng)350m，壩頂寬11.64m。壩頂瀝青路面層厚0.2m，墊層厚0.15m，兼做村級(jí)道路。

　　水庫建成后，已進(jìn)行過3次以上除險(xiǎn)加固，每次均涉及到壩頂路面修復(fù)內(nèi)容。根據(jù)氣象部門統(tǒng)計(jì)，前城子水庫庫區(qū)氣溫升降呈一定規(guī)律，每日最高氣溫一般在14點(diǎn)前后，每日最低氣溫通常在凌晨4點(diǎn)左右。以14點(diǎn)作為時(shí)間起點(diǎn)，取冬季與夏季平均溫度日，即2018年12月10日(最低氣溫-11℃、最高氣溫-4℃)、2018年7月10日(最低氣溫20℃、最高氣溫32℃)為計(jì)算日，分析當(dāng)日起點(diǎn)開始后24h內(nèi)溫度對(duì)瀝青路面的影響。

　　3.2冬季瀝青路面溫度應(yīng)力分析

　　利用ANSYS有限元軟件構(gòu)建三維瀝青路面結(jié)構(gòu)模型，經(jīng)溫度應(yīng)力模擬得冬季路面結(jié)構(gòu)24h內(nèi)的溫度變化、溫度梯度和溫度應(yīng)力分析結(jié)果。

　　(1)溫度變化

　　將瀝青路面冬季時(shí)的溫度變化施加到道路三維模型中進(jìn)行有限元計(jì)算分析，得到瀝青路面各結(jié)構(gòu)層24h內(nèi)溫度變化情況。瀝青面層溫度的日最高溫度約0℃，最低溫度約-10℃，與水庫庫區(qū)地表溫度基本一致，其最高溫度與最低溫度間相差約10℃。墊層頂部最高溫度約-0.4℃，最低溫度約-2.5℃，波動(dòng)量在2.1℃左右�；鶎禹敳康淖罡邷囟燃s0℃左右，最低溫度約-1℃左右，相差約1℃。

　　(2)溫度梯度變化

　　為更加準(zhǔn)確描述瀝青路面道路結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度的均勻性，引入溫度梯度指標(biāo)，取溫度增加為正方向。施加溫度荷載后，得到24h內(nèi)壩頂?shù)缆犯鹘Y(jié)構(gòu)層沿縱向溫度梯度的變化情況。瀝青面層的溫度梯度升降幅度最大，其最大正值約2℃/m，出現(xiàn)在15時(shí)左右，而其最大負(fù)值約-8℃/m，出現(xiàn)在8時(shí)左右，二者相差10℃/m;墊層溫度梯度最大正值約0.1℃/m，出現(xiàn)在15時(shí)左右，最大負(fù)值約-1.5℃/m，出現(xiàn)在8時(shí)左右，二者相差約1.5℃;基層溫度梯度最大正值約0.1℃/m，出現(xiàn)在15時(shí)左右，最大負(fù)值約-1℃/m，出現(xiàn)在8時(shí)左右，二者相差1℃/m。由此可知，隨著z方向埋深增加，溫度梯度變化幅度逐漸減小。由于在一定范圍內(nèi)，溫度梯度的增加會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫度應(yīng)力。因此，由計(jì)算結(jié)果可知，瀝青面層表面是溫度荷載作用下影響最為明顯的部位。

　　(3)溫度應(yīng)力變化由于溫度荷載對(duì)壩頂?shù)缆返淖饔檬且?guī)律性、反復(fù)性的，因此有必要對(duì)溫度應(yīng)力進(jìn)行分析計(jì)算。經(jīng)有限元法分析后，得到瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部在24h內(nèi)溫度應(yīng)力的變化。壩頂?shù)缆犯鹘Y(jié)構(gòu)層在冬季低溫影響下主要受到拉應(yīng)力作用，瀝青面層內(nèi)拉應(yīng)力明顯小于墊層和基層，基層內(nèi)產(chǎn)生的拉應(yīng)力最大。

　　3.3夏季瀝青路面溫度應(yīng)力分析

　　經(jīng)溫度應(yīng)力模擬得夏季路面結(jié)構(gòu)24h內(nèi)的溫度變化、溫度梯度和溫度應(yīng)力分析結(jié)果。(1)溫度變化瀝青面層最高溫度約48℃，最低溫度約22℃，二者相差約26℃。石灰土墊層頂部最高溫度約20℃，最低溫度約1℃，二者相差約19℃;基層頂部最高溫度約8℃，最低溫度約1℃，二者相差約7℃，三個(gè)結(jié)構(gòu)層內(nèi)溫度最大值與最小值之差均大于冬季。(2)溫度梯度變化夏季壩頂?shù)缆犯鹘Y(jié)構(gòu)層z向溫度梯度變化情況。面層溫度梯度最大值約48℃/m，最小值約9℃/m，二者相差約39℃/m;墊層溫度梯度最大值約9℃/m，最小值約0.5℃/m，二者相差約8.5℃;基層溫度梯度最大值約8℃/m，最小值約0.5℃/m，二者相差約7.5℃。夏季溫度梯度隨z向深度增加變化幅度呈減小趨勢(shì)，面層的變化幅度明顯大于墊層和基層，墊層和基層的變化幅度較為接近。(3)溫度應(yīng)力變化夏季壩頂?shù)缆犯鹘Y(jié)構(gòu)層均受到壓應(yīng)力的影響，其中面層內(nèi)產(chǎn)生的壓應(yīng)力最大，墊層與基層內(nèi)產(chǎn)生的壓應(yīng)力較為接近，均明顯小于面層。

　　4結(jié)論

　　采用三維有限元軟件對(duì)冬季低溫和夏季高溫條件下的瀝青路面溫度應(yīng)力進(jìn)行模擬分析，得出壩頂?shù)缆方Y(jié)構(gòu)中瀝青面層受溫度變化的影響最大，且夏季較冬季明顯。夏季溫度引起的破壞主要為壓應(yīng)力作用，而冬季則以拉應(yīng)力為主。由于溫度應(yīng)力反復(fù)作用會(huì)使壩頂?shù)缆樊a(chǎn)生車轍、裂縫等危害，因此應(yīng)采取下列有效措施控制溫度應(yīng)力的產(chǎn)生。(1)道路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，宜在水穩(wěn)基層設(shè)置伸縮縫，以適應(yīng)結(jié)構(gòu)的自由伸縮和變形修正。(2)施工時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制粗細(xì)骨料用量、級(jí)配及水膠比。(3)夏季高溫宜灑水降溫，冬季低溫宜加蓋草墊、覆蓋薄膜等進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]李林，鄧爭(zhēng)榮，杜勝華，等.水利水電工程瀝青混凝土骨料原巖的適宜性分析[J].水利技術(shù)監(jiān)督，2018(6):214-217.

　　[2]李振收.瀝青混凝土路面平整度差成因及措施[J].水利水電施工，2016(6):25-27.

　　[3]胡立紅.半剛性基層瀝青路面早期損害的防治措施[J].水利技術(shù)監(jiān)督，2007(4):68-70.

　　[4]王廣濤，艾孝玲，陳偉.瀝青路面常見病害及其防治[J].河南水利與南水北調(diào)，2011(18):135，139.

　　[5]馬保東，路建，張向前，等.瀝青混凝土面板鼓包成因分析[J].東北水利水電，2017，35(12):52-53.

　　作者：張通

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