一种沥青混凝土路面温度循环应力计算方法技术

本发明专利技术提供一种沥青混凝土路面温度循环应力计算方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、分析温度对沥青混凝土力学性能的影响；步骤二、建立沥青混凝土路面三维有限元模型，分析沥青混凝土路面三维有限元模型日温度效应；步骤三、分析沥青混凝土路面循环温度效应。本发明专利技术从温度循环着手，对区域气候变化中的温度做研究，通过分析温度对路面材料特性的影响，来分析区域气候变化下路面的受力特征，并借助ANSYS有限元软件，对路面结构层进行分析，进而得出温度对路面结构的影响。本发明专利技术通过研究路面温度循环应力为沥青路面设计参数的发展完善及服役性能演变提供了理论参考，具有重要的潜在应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种沥青混凝土路面温度循环应力计算方法
本专利技术属于土木工程
，具体涉及一种以区域气候温度变化为背景研究沥青路面温度循环应力的方法。
技术介绍
在我国，路面因一次性降温而引起开裂的情况很少，大部分的温度裂缝是因为温度的循环作用而产生的。很多温度裂缝产生时的环境温度并不算很低。因温度对路面的长期反复作用，即使是没有开裂的路面，沥青混合料也会因温度应力累积，抗拉强度会逐渐降低，并且当沥青的老化劲度提高时，会导致应力松弛性能降低，最终对路面产生破坏。现有技术中有利用线弹性多层理论进行的研究，通过引入路面温度和车辆荷载随时间反复变化的曲线，研究了每一个设计周期(1小时)内沥青路面的交通诱导及温度诱导所产生的应力应变问题，得出气候变化对路面设计的影响。还有通过对极端气候的变化研究，运用系统动力学方法，分析气候变化对沥青路面的影响。目前有关极端气候(如极端低温、极端高温等)对路面影响的研究已经有很多，而区域气候下，温度循环对路面影响的研究却不多。因我国大部分地区四季分明，年温差大，气候作为某地区多年时段大气的一般状态，可以作为研究大气温度对路面影响的依据。因此有必要从温度循环着手，对区域气候中的温度做研究，通过分析温度对路面材料特性的影响，来分析区域气候下路面的受力特征，并借助有限元软件，对路面结构层进行分析，进而得出温度对路面结构的影响，为沥青路面设计参数的发展完善及服役性能演变提供理论参考。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术为解决现有技术中存在的问题采用的技术方案如下：一种沥青混凝土路面温度循环应力计算方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、分析温度对沥青混凝土力学性能的影响；步骤二、建立沥青混凝土路面三维有限元模型，分析沥青混凝土路面三维有限元模型日温度效应；步骤三、分析沥青混凝土路面循环温度效应。所述步骤一中温度对沥青混凝土力学性能的影响分析为：分析温度对沥青混凝土材料的弹性模量和泊松比的影响，忽略材料其他性能参数对沥青混凝土路面的影响。所述步骤二具体建模过程为：选取研究路面，根据不同时间段里面的结构参数、荷载参数和边界条件，运用ANSYS软件建立三维整体模型，并将模型进行网格划分，再对模型进行整体计算，分析数据获得夏(冬)季日温度效应。所述结构参数为复合式沥青路面结构层每层所用材料、材料厚度、材料弹性模量和泊松比。所述荷载参数为宏观模型中所施加的荷载类型、荷载大小和荷载的集合位置，所述荷载类型以温度场形式施加。所述边界条件为三维宏观模型中所施加的边界条件，具体边界条件按路面结构的受力和变形特性施加。所述步骤二中分析路面夏季日温度效应时，以三角函数线性组合来模拟辐射日气温过程，进一步模拟得到路面路表温度，根据得到的路表温度数据用ANSYS软件对路面温度场及温度应力进行计算，分析计算数据得到路面夏季日温度效应，分析路面冬季日温度效应时，不考虑太阳辐射。所述步骤三中，在某地区某时间段，查询天气网获取相关温度数据，并通过模拟得到路面路表温度，在此基础上对路面温度场和温度应力进行计算，分析数据得到月循环和年循环温度效应。所述步骤三中，月循环温度效应的分析方法为：采用七月份温度数据来计算夏季循环温度应力、应变，以应变作为验算指标来研究夏季温度月循环；采取一月份温度数据来计算冬季循环温度应力，以应力作为验算指标来研究冬季温度月循环。所述步骤三中，年循环温度效应的分析方法为：取某地区某年十二个月的月平均温度数据来计算沥青路面温度应力，对路面上面层的年温度应力循环进行模拟。本专利技术具有如下优点：本专利技术从温度循环着手，对区域气候变化中的温度做研究，通过分析温度对路面材料特性的影响，来分析区域气候变化下路面的受力特征，并借助ANSYS有限元软件，对路面结构层进行分析，进而得出温度对路面结构的影响。对温度循环应力的分析表明，夏季温度应变较大，应力较小，以受压为主，因此夏季不会产生温度裂缝，但易形成车辙。而冬季温度应力较大，应变较小，且以受拉为主，所以更易产生温度裂缝。本专利技术通过研究路面温度循环应力为沥青路面设计参数的发展完善及服役性能演变提供了理论参考，具有重要的潜在应用前景。附图说明图1为本专利技术的温度循环应力计算分析流程图；图2为沥青层弹性模量与温度的关系；图3为沥青混凝土泊松比随温度变化图；图4为夏季沥青路面各层温度应变图；图5为夏季升温对路面产生的温度应变对比图；图6为夏季升温对路面产生的温度剪应力对比图；图7为夏季升温对路面产生的水平温度应力对比图；图8为冬季升温对路面产生的水平温度应力对比图；图9为冬季升温对路面产生的温度应力对比图；图10为夏季路表温度三维示意图；图11为夏季路表温度三维示意图；图12为2011年沥青路面年水平温度应力变化图；图13为沥青路面温度应力年循环图。具体实施方式下面通过实施例，并结合附图，对本专利技术的技术方案作进一步具体的说明，如图1所示，一种沥青混凝土路面温度循环应力计算方法，包括如下步骤：步骤一：分析温度对沥青混凝土力学性能的影响；温度对材料的影响主要表现在对材料的弹性模量、泊松比等特性上，本专利主要从这两个特性来分析温度变化对沥青混凝土力学性质的影响，忽略材料其他特性对沥青路面的影响，通过相关实验数据拟合得到弹模、泊松比与温度的关系。步骤二：建立沥青混凝土路面三维有限元模型，分析沥青混凝土路面三维有限元模型日温度效应；选取研究路面，所选路面的结构参数如表1所示：表1沥青路面结构参数不同时间段路面材料的弹性模量、泊松比取值由步骤一得到。模型采用solid70三维热实体单元，该单元可以进行瞬态热分析，且该单元在进行结构分析时，可被一个等效的结构单元(如solid45)所代替，原有的热参数被解释成相似的流体流动参数完成单元转化。网格划分时采用映射划分将整个单元进行划分，然后对土基以上部分进行网格细划分，提高分析的精度。温度荷载边界条件：n层弹性层状体系只考虑温度沿深度和路宽的方向传递，而忽略温度沿道路长度方向的传导。在路面以下深度hi处的热传导方程可以简化为二维的热传导方程：其中：λi(Ti)＝λ0i(1+aiTi)，i＝1,2…n路表直接与环境相接触，太阳的辐射、对流和热交换是地表温度变化的主要原因，路面温度是大气温度、太阳辐射、路面太阳能吸收率和风速共同作用的结果，上边界条件可表示为：式中：F为路面有效辐射；αx为路表对太阳辐射的总吸收率，对于沥青路面，其取值为0.8～0.9；路面结构温度场还受到土基深处的地温影响，下边界条件为：Tn|x＝H＝TQ+T1n+T2nexp(-ys)sin[ωn(tn+252)-ys](3)式中：Tn为地温(℃)；TQ为一年中路面因吸收太阳辐射能而产生的增温(℃)；为一天中太阳辐射在道路深处产生的平均积温(℃)；DF为一年中路面因有效辐射而损失的热量系数，DF≈0.5；DL为一年中路面的蒸发耗热系数，DL≈0.7；T1n为年平均气温，T2n为年气温振幅，ωn为角频率，ωn＝2π/365(rad)；tn为第n天；Y为计算点距路表的深度(m)；α为土的导温系数，一般取α＝0.003(0.0025～0.004)(m2/h)。层间热传递层状路面相邻两层间上下层温度Ti、Ti+1和热流qi、qi+1是连续的，其边界条件可表示为：此外，解还必须满本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种沥青混凝土路面温度循环应力计算方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、分析温度对沥青混凝土力学性能的影响；步骤二、建立沥青混凝土路面三维有限元模型，分析沥青混凝土路面三维有限元模型日温度效应；步骤三、分析沥青混凝土路面循环温度效应。

【技术特征摘要】
1.一种沥青混凝土路面温度循环应力计算方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、分析温度对沥青混凝土力学性能的影响；步骤二、建立沥青混凝土路面三维有限元模型，分析沥青混凝土路面三维有限元模型日温度效应；步骤三、分析沥青混凝土路面循环温度效应。2.如权利要求1所述的一种沥青混凝土路面温度循环应力计算方法，其特征在于：所述步骤一中温度对沥青混凝土力学性能的影响分析为：分析温度对沥青混凝土材料的弹性模量和泊松比的影响，忽略材料其他性能参数对沥青混凝土路面的影响。3.如权利要求1所述的一种沥青混凝土路面温度循环应力计算方法，其特征在于：所述步骤二具体建模过程为：选取研究路面，根据不同时间段里面的结构参数、荷载参数和边界条件，运用ANSYS软件建立三维整体模型，并将模型进行网格划分，再对模型进行整体计算，分析数据获得夏(冬)季日温度效应。4.如权利要求3所述的一种沥青混凝土路面温度循环应力计算方法，其特征在于：所述结构参数为复合式沥青路面结构层每层所用材料、材料厚度、材料弹性模量和泊松比。5.如权利要求3所述的一种沥青混凝土路面温度循环应力计算方法，其特征在于：所述荷载参数为宏观模型中所施加的荷载类型、荷载大小和荷载的集合位置，所述荷载类型以温度场形式施加。6.如权利要求3所述的一种沥青混凝土路面温度循环应力计算方法，其特征在于：所述边界条件...

【专利技术属性】
技术研发人员：付军，雷力，成琛，谢逸超，黄家标，余岫云，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42