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原文传递沥青路面温度场与温度应力时空分布规律及影响因素敏感性研究

论文题名：	沥青路面温度场与温度应力时空分布规律及影响因素敏感性研究
关键词：	沥青路面;温度场;温度应力;时空分布
摘要：	沥青路面长期暴露在外界环境中，在气温、太阳辐射和空气对流等因素的影响下，路面结构内会产生温度场。由于热胀冷缩的作用，温度变化会引起温度变形，当温度变形无法得到释放时，会形成温度应力，进而影响沥青路面服役性能，比如降温时会产生温缩裂缝。此外，我国地域辽阔，南北方气候环境差异大，不同地区沥青路面的温度场和温度应力分布存在一定差异。而且由于环境复杂，影响沥青路面温度场和温度应力的因素也较多。因此，有必要对比分析不同地区沥青路面的温度场和温度应力分布及其影响因素。基于此，本研究针对不同的代表城市，采用有限元分析方法，建立沥青路面典型结构的三维模型，分析了沥青路面温度场和温度应力的时空分布规律，并利用灰关联分析方法讨论了路面温度和温度应力对不同因素的敏感性。本文主要研究内容及结论如下：　　（1）采用有限元分析方法，建立沥青路面典型结构的三维模型，并将模型计算的温度结果与北京环道实测温度数据和典型预估模型计算的温度进行对比。研究发现模拟结果与实测值和计算值之间具有较好的一致性，最大温度误差3.39℃。从而验证了模型的合理性。　　（2）通过有限元模型传热分析，对典型城市温度场时空分布规律进行研究，不同城市温度分布规律具有一致性。沥青路面结构层温度随路面深度的增加而逐渐降低，温度变化幅度亦减小，在基层、底基层及土基的日温度几乎不变，且始终处于较低温状态；沥青路面结构日温度曲线与气温变化趋势相同，均呈正弦变化。但正弦峰值出现的时刻随着结构层深度增加存在一定的滞后性，在基层、底基层结构峰值已不明显。　　（3）沥青路面结构内最大温度出现的位置呈现日周期性变化，与时间和温度均有关。在0:00~24:00的不同时段内，沥青路面最大温度位置最先出现在沥青层下面层和基层；然后随着气温的升高和太阳辐射的增大，最大温度位置上移到面层直至路表；最后随着气温降低和太阳辐射减小，最大温度位置又下移到沥青层下面层或基层。　　（4）采用灰关联方法对影响沥青路面温度场因素敏感性进行分析，包括日平均气温Tm、日太阳辐射量Qs、日均风速v、热传导率k、热容量C。研究发现：各结构层温度随Tm、Qs的增大而增大；当v增大，不同结构层最高温度随深度的增加出现递减趋势；当k增大，沥青层底的温度随之增大；当C增大，沥青层底的温度变化情况与热容量的关系根据外界气温变化趋势可分为两类：在降温阶段二者变化趋势相同，升温阶段二者变化趋势相反。总的来说，Tm、Qs、v对路面温度场变化的影响效果最为显著；随着深度的增加，k、C的作用逐渐减小，在基层和底基层的影响可以忽略不计。　　（5）采用有限元模型顺序热-力耦合分析方法，对典型城市温度应力时空分布规律进行研究，发现不同城市沥青路面的温度应力变化规律具有一致性。一天中温度应力出现拉压循环变化。当结构层温度升高时，该层温度应力降低。与温度场分布趋势相同，不同结构层温度应力极值出现的时刻具有明显滞后性。　　（6）温度应力随着沥青层材料温缩系数和模量的增加而增加，但在距离路表越远处增长幅度越小；而增加面层不同层的厚度，只会影响该层及以下的结构层，且温度应力数值随着厚度的增大而减小；沥青下面层、基层、底基层的温度应力与基层类型有显著关系。基层刚度越大，温度应力越大。　　（7）影响沥青路面温度应力的主要因素包括收缩系数α、结构层模量E、面层各层厚度h以及基层类型L。通过灰关联分析发现，不同城市的温度应力对各因素的敏感性虽存在一定差异，但整体看来是一致的。沥青面层温度应力对α和E的敏感性最高；而越往下，结构层模量影响越显著；基层类型对基层温度应力影响最显著。
作者：	雷蕾
专业：	交通运输工程;道路与铁道工程
导师：	朱洪洲
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2022