论文部分内容阅读
在我国高寒地区，由于气温低且昼夜温差大，导致沥青路面温度场变化剧烈，因此路面易发生温度应力开裂和温度疲劳损伤等破坏，这严重影响沥青路面使用寿命，成为阻碍我国高寒地区沥青路面发展的难题。目前，大多数学者常采用数值模拟的方式研究沥青路面温度场和温度应力，而受限于气象资料获取不全面与路面热参数选择不当，导致分析结果与实际差异较大，另一方面现有的温度场预估公式也存在适用范围或计算复杂的局限性，因此优化高寒地区沥青路面温度场、温度疲劳的计算公式或方法十分有必要。本研究通过统计分析和比较分析，确定路面热参数取值，建立路面有限元模型并利用高寒地区气候资料分析沥青路面温度场的关键影响因素，在此基础上，提出形式简单的沥青路面温度场预估函数，探讨利用温度场预估公式直接计算温度应力和温度疲劳的方法。主要研究内容如下：
(1)沥青路面材料热参数统计分析及取值
首先搜集整理国内外沥青混合料、无机结合料、粒料、土基热物性参数试验结果，然后根据试验样本数量和各热参数影响因素种类，将热物性参数分为两类，分别用统计学和论述比较进行分析，从而提出各热参数的取值范围或计算公式。
(2)沥青路面温度场模型建立与验证
建模时，选择典型的沥青路面结构，利用沥青路面材料热参数统计分析的研究成果对模型中的路面材料赋予热参数值，然后确定了气候边界条件及气候参数，再根据有限元瞬态热分析的时间增量步原理进行网格划分，最后对沥青路面温度场模型进行迭代计算，并与理论解进行对比验证，结果表明模型在迭代10次以后，温度场是准确的。
(3)沥青路面温度场影响因素分析
沥青路面温度场的影响因素可分为气候和路面结构两个部分，对于气候参数对沥青路面温度场的影响，以风速、太阳日辐射总量、日照时间、日平均温度、日温差为因素，以路表的最大温差、最大负温度梯度、平均温度和沥青层层底的最大温差、最大正温度梯度作为试验指标，进行正交分析。结果表明，日温差对路表最大正温度梯度、沥青层层底温差、沥青层层底最大正温度梯度的影响最大，日均气温对路表平均温度影响最大；对于路面结构对沥青路面温度场的影响，分析了不同沥青面层厚度、不同基层类型、不同上面层材料对沥青路面面层温度场的影响，当沥青面层厚度不同时，在距路表相同深度处的温度却一样，当沥青层厚度不变，随深度增加，路面温度波动减小；半刚性基层和柔性基层对路面沥青层日温差影响不大；相同气候条件下，路面深度2cm处，OGFC型、AC型、SMA型三种不同上面层材料的路面沥青层的日温差几乎没有差异。除路面深度2cm处，在整个沥青层范围内，距离路表越近，三种面层材料的路面日温差差异越明显，其中，上面层为SMA型混合料的路面路表日温差最小，因此在大温差地区，上面层可首选SMA混合料。
(4)沥青路面温度场预估公式
基于含日均气温和日温差的双正弦函数模型和路面温度场关键影响因素，并考虑气温与路面温度差异、路面温度振幅随深度递减效应、温度场随深度变化的滞后效应，设计沥青路面温度场预估函数，代入不同气候参数和面层厚度对温度场预估函数进行回归拟合，最终提出以日平均气温、日温差、时间、路面深度为参数的温度场预估模型。
(5)沥青路面温度应力及温度疲劳分析
分析了阿里、拉萨和哈尔滨三个典型高寒地区沥青路面的温度场应力和温度疲劳，高寒地区沥青面层主要考虑春冬季节的沥青路面温度应力。高寒地区路面温度应力随深度增加而减小，因此在路表最易发生温度应力或温度疲劳破坏。对于高寒地区，日温差越大，温度疲劳越明显。
本研究通过统计和比较法分析了沥青路面热参数，为在沥青路面温度场和温度应力数值分析时，如何选取热参数值提供了参考，以减小因参数选取不当带来的误差；提出的温度预估公式具有能满足工程要求，适用范围较广，计算简便的特点。利用该公式计算了高寒地区的路面温度应力和温度疲劳，其计算思路能为高寒地区沥青路面的工程设计提供一定参考。
(1)沥青路面材料热参数统计分析及取值
首先搜集整理国内外沥青混合料、无机结合料、粒料、土基热物性参数试验结果，然后根据试验样本数量和各热参数影响因素种类，将热物性参数分为两类，分别用统计学和论述比较进行分析，从而提出各热参数的取值范围或计算公式。
(2)沥青路面温度场模型建立与验证
建模时，选择典型的沥青路面结构，利用沥青路面材料热参数统计分析的研究成果对模型中的路面材料赋予热参数值，然后确定了气候边界条件及气候参数，再根据有限元瞬态热分析的时间增量步原理进行网格划分，最后对沥青路面温度场模型进行迭代计算，并与理论解进行对比验证，结果表明模型在迭代10次以后，温度场是准确的。
(3)沥青路面温度场影响因素分析
沥青路面温度场的影响因素可分为气候和路面结构两个部分，对于气候参数对沥青路面温度场的影响，以风速、太阳日辐射总量、日照时间、日平均温度、日温差为因素，以路表的最大温差、最大负温度梯度、平均温度和沥青层层底的最大温差、最大正温度梯度作为试验指标，进行正交分析。结果表明，日温差对路表最大正温度梯度、沥青层层底温差、沥青层层底最大正温度梯度的影响最大，日均气温对路表平均温度影响最大；对于路面结构对沥青路面温度场的影响，分析了不同沥青面层厚度、不同基层类型、不同上面层材料对沥青路面面层温度场的影响，当沥青面层厚度不同时，在距路表相同深度处的温度却一样，当沥青层厚度不变，随深度增加，路面温度波动减小；半刚性基层和柔性基层对路面沥青层日温差影响不大；相同气候条件下，路面深度2cm处，OGFC型、AC型、SMA型三种不同上面层材料的路面沥青层的日温差几乎没有差异。除路面深度2cm处，在整个沥青层范围内，距离路表越近，三种面层材料的路面日温差差异越明显，其中，上面层为SMA型混合料的路面路表日温差最小，因此在大温差地区，上面层可首选SMA混合料。
(4)沥青路面温度场预估公式
基于含日均气温和日温差的双正弦函数模型和路面温度场关键影响因素，并考虑气温与路面温度差异、路面温度振幅随深度递减效应、温度场随深度变化的滞后效应，设计沥青路面温度场预估函数，代入不同气候参数和面层厚度对温度场预估函数进行回归拟合，最终提出以日平均气温、日温差、时间、路面深度为参数的温度场预估模型。
(5)沥青路面温度应力及温度疲劳分析
分析了阿里、拉萨和哈尔滨三个典型高寒地区沥青路面的温度场应力和温度疲劳，高寒地区沥青面层主要考虑春冬季节的沥青路面温度应力。高寒地区路面温度应力随深度增加而减小，因此在路表最易发生温度应力或温度疲劳破坏。对于高寒地区，日温差越大，温度疲劳越明显。
本研究通过统计和比较法分析了沥青路面热参数，为在沥青路面温度场和温度应力数值分析时，如何选取热参数值提供了参考，以减小因参数选取不当带来的误差；提出的温度预估公式具有能满足工程要求，适用范围较广，计算简便的特点。利用该公式计算了高寒地区的路面温度应力和温度疲劳，其计算思路能为高寒地区沥青路面的工程设计提供一定参考。