CN110442993A - 层间热阻对沥青路面结构受力影响的分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种层间热阻对沥青路面结构受力影响的分析方法，属于沥青路面技术领域。解决目前在研究沥青路面结构层间热阻对路面力学影响上统计分析方法局限性大、有限元分析不能突出沥青路面多孔颗粒材料特征、建模单元单一、无法改变集料接触几何特性等问题。本发明采用离散元软件数值模拟沥青路面结构；然后，设置模型边界条件、颗粒参数、单元接触模型和接触热阻系数，建立沥青路面结构离散元热分析模型，进行热分析；最后，在沥青路面结构离散元热分析模型上施加车辆荷载，记录荷载中心及周边位置各层底的受力数据，依据不同层间热阻状况下的受力数据，绘制受力比较图，分析沥青路面结构层间热阻对沥青路面受力的影响。

Description

层间热阻对沥青路面结构受力影响的分析方法

技术领域

本发明是层间热阻对沥青路面结构受力影响的分析方法，属于沥青路面技术领域。

背景技术

近年来，我国大力发展公路交通事业，沥青路面基于其良好的路用性能成为我国高速公路的主要形式。随着使用时间的增长，部分已建成的沥青路面未达到设计使用年限却出现各种各样的病害问题，包括裂缝、车辙、拥包等。这些病害的出现预示着沥青路面在使用过程中受到了超过其荷载极限的作用力，而这些未明的作用力没有在设计初期得到考虑或者是没有解决彻底。长期的实践表明，沥青路面结构层间的热阻问题对路面结构的受力是有影响的，尤其是在夏季的高温和大量太阳辐射的情况下，由于沥青本身对太阳辐射的吸收率达到0.8～0.95，且沥青混合料的导热系数相对较低，在吸收大量热能后，在路面内部形成热量积聚，在路面结构层间形成热阻。热阻的存在一是会加剧温度应力在结构层间的破坏作用，二是会影响结构层间沥青材料的性能，进而在车辆荷载作用下沥青路面达不到设计的承载要求。因此，沥青路面层间热阻对结构层间的受力影响是一个值得重视的问题。

自从1940年美国工程兵部队将加州承载比试验和弹性半空间体系理论方法使用到沥青机场路面结构的设计中，过去的单纯依靠经验法来设计路面组成方法被逐渐舍弃，之后沥青路面的设计就进入了半个多世纪的以力学分析为基础的时代，并且随着弹性层状体系理论方法和计算机技术的发展，采用力学分析法作为沥青路面的设计方法成为了主流。但是大量工程实践表明，采用力学分析法设计的沥青路面依旧不可避免的出现车辙、裂缝等病害问题，不考虑施工的问题，大面积出现的病害很明显地说明现行的力学分析设计法未能考虑到所有的影响因素。而从长期的沥青路面实践上来说，温度对沥青路面有很大影响，并且由于沥青材料较低的导热性能引发结构层间的热阻问题，进一步扩大了温度对结构层的影响，在高温环境下沥青材料性能的变化也扰动了沥青路面结构承受外部荷载时的受力特征。因此，研究层间热阻对沥青路面结构受力影响的问题的分析方法很有现实意义。

目前有关沥青路面层间热阻对路面结构受力特性影响的研究主要都是通过建立路面结构层的温度场模型分析，温度场模型的建立考虑了各种影响因素，诸如环境温度、层间材料的热物性参数、结构层厚度、路面结构形式等等。在相同的外部荷载作用下，各个因子的变化会使得沥青路面结构的力学响应有很大不同。国内外在层间热阻对沥青路面结构受力问题的研究主要有三个方法：第一种是理论分析法，依据边界条件以及传热学基本原理的假设，引入结构层热物性参数、气象资料、结构特征和时间等参数，建立路面温度场模型的表达式。这种采用理论公式建立路面温度场模型来评判结构层的热阻性能的方法，掺有很多假设条件，表达式也非常复杂，计算量巨大以及引入参数的不确定性，都会影响计算结果的合理性。

第二种是统计分析法，以大量的实测温度数据为支撑，结合当地的气象资料，采用回归分析的方法建立沥青路面温度场的预估公式。这种方法在准确度上有很大提升，计算也不复杂，但是需要大量的资料，且运用数理统计的方法来分析，过程相对繁杂，结果也具有很大的局限性，仅能适用于数据采集地。

第三种是数值模拟分析法，这算是当前使用较多的一种方法，结合了理论和实测数据来建立模型分析，使用最多的还是有限元分析方法。一般基于热传导理论，考虑气温和太阳辐射的因素，并假设水平方向上不存在温度梯度，建立有限元数值模型。但有限元方法有其局限的地方，就是将沥青路面结构当做连续的匀质材料，这与实际的沥青路面非连续的多孔结构材料是有出入的，难以真实地表达在复杂情况下路面内部的热量变化情况，所以有限元模拟的结果是不够准确的。

离散元颗粒流方法，是以一种颗粒单元为研究对象，将每一个单元独立存在，并设置相应的材料特性和接触特性。在模型中，每一个单元颗粒都可以进行多种模型的运算。对于沥青路面结构层的建立上，离散元颗粒可以较好的模拟沥青胶浆、集料，并满足对于沥青胶浆黏弹特性和蠕变特性的模拟。在模型计算过程中，离散元软件可以很好地监测模型中任意地力学变化，非常适用于研究层间热阻问题引发的结构层受力变化问题。

当前对于沥青路面结构层间热阻和受力影响之间关系的研究，各种方法尚存不足。采用理论法进行的计算，通过对查找文献规范等资料所得的数据进行分析计算，存在缺乏数据失真、误差扩大以及计算所需假设条件较多等问题。采用统计分析的方法建立当地沥青路面结构分析模型，数据过于庞大且存在局限性的问题，而采用有限元软件模拟也存在缺陷，由于有限元分析是基于连续介质力学原理建立沥青路面结构模型的，无法表征出沥青路面多孔介质的材料特性，也不能改变集料接触的几何特性，其建模单元单一，且忽视接触热阻的存在，这些问题使得采用有限元方法得到的计算结果缺乏说服力。

综上所述，本发明申请采用离散元方法，该方法在建立准确的沥青路面结构模型上具有先天的优势，能够较好反映各层的颗粒特性。通过建立沥青路面结构层的离散元模型，设定颗粒特性和接触模型，输入热量之后进行外部荷载加载试验，分析沥青路面结构层热阻对沥青路面结构的力学影响。由于离散元软件对各种颗粒材料模拟良好的适应性，可以对各种类型沥青路面进行模拟计算，有很大的推广价值。

发明内容

(1)技术问题

本发明目的是层间热阻对沥青路面结构受力影响的分析方法，该方法通过建立离散元模型，定义各组成结构的材料参数、界面参数、接触模型等，在温度作用下，对沥青路面结构不同层间热阻影响沥青路面结构层作力学分析。解决目前在研究沥青路面结构层间热阻对路面力学影响上统计分析方法局限性大、有限元分析不能突出沥青路面多孔颗粒材料特征、建模单元单一、无法改变集料接触几何特性等问题。

(2)技术方案

为了解决目前在研究沥青路面结构层间热阻对路面力学影响上统计分析方法局限性大、有限元分析不能突出沥青路面多孔颗粒材料特征、建模单元单一、无法改变集料接触几何特性等问题，本发明提供一种考层间热阻对沥青路面结构受力影响的分析方法。首先，如图1，采用离散元软件生成具有确定级配的沥青路面结构初始模型，设定空隙率；其次，通过试验和查询相关资料，设定各组成材料的热物性参数和颗粒单元的接触模型，设定边界条件，并假设热量仅在热管中传导；然后把初始模型的上表面作为边界热源，利用热分析功能，设定接触单元之间的接触热阻系数，建立沥青路面离散元加热模型，进行加热模拟，并保存热分析结果；最后，在热分析模型上通过伺服机制模拟车辆荷载，在加载过程中记录不同层间热阻状况下荷载中心位置和周边位置处沥青路面各层层底拉压应力、剪应力、结构层位移等力学变化情况，记录并导出数据，分析不同层间热阻特性对沥青路面结构受力的影响。

(3)有益效果

沥青路面层间形成的热阻问题导致沥青路面的病害频发，最为典型的病害就是车辙损害，由于沥青路面层间热阻导致的高温工作状态使沥青材料的模量大幅下降，整个沥青路面因此受力特征大变。针对于诸如此类的问题，层间热阻对沥青路面的受力影响应当值得关注。本发明采用离散元方法，直观且准确地模拟真实的沥青路面，相比有限元软件能更好地呈现沥青路面颗粒材料的特点，并且可以对每个颗粒单元分别赋值热物性参数，计算结果的准确性得到保证。另外，这种方法相较于实验室方法更加经济，也避免了很多试验上的客观因素干扰，可以从细观的角度深入分析沥青路面结构的受力影响。而且离散元方法可以很好的模拟其他任意类型的路面结构，在揭示沥青路面热阻对路面受力影响方面有很大的推广价值。

附图说明

图1 沥青路面结构示意图

1-沥青胶浆 2-集料 3-热量 4-上面层

5-中面层 6-下面层 7-车辆荷载

具体实施方式

本发明提供一种层间热阻对沥青路面结构受力影响的分析方法，具体实施步骤如下：

(1)采用离散元软件生成各层具有确定级配的沥青路面结构模型，用块体命令生成不规则形状的集料，其余圆形颗粒单元按粘弹性模型和平行黏结模型连接在一起视为沥青胶浆，根据一定空隙率要求将集料和沥青胶浆的颗粒集合紧密排列；

(2)模拟太阳辐射在路表面加热沥青路面结构，将沥青路面上表面设置为边界热源，不计热辐射和热对流，热量仅通过热管传递；

(3)设置路面结构各层材料的热物性参数和其它单元参数，选定粘弹性模型和平行黏结模型表征沥青砂浆和集料之间的接触类型，以及设置单元颗粒之间的接触热阻系数，建立沥青路面结构的离散元热分析模型；

(4)在沥青路面结构离散元热分析模型的上表面模拟太阳辐射输入热量，运行离散元热分析模块，进行沥青路面结构层间热阻状况分析，并在沥青路面结构的离散元热分析模型保存计算结果；

(5)在沥青路面结构的离散元热分析模型上利用伺服机制模拟车辆荷载在模型上表面运行，进行热力学耦合分析，记录不同层间热阻状况下的车辆荷载中心和周边位置处沥青路面各层层底的拉应力、压应力、剪应力和位移，分析不同层间热阻特性对沥青路面结构受力的影响。

Claims (1)

1.一种层间热阻对沥青路面结构受力影响的分析方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：

(1)采用离散元软件生成各层具有确定级配的沥青路面结构模型，用块体命令生成不规则形状的集料，其余圆形颗粒单元按粘弹性模型和平行黏结模型连接在一起视为沥青胶浆，根据一定空隙率要求将集料和沥青胶浆的颗粒集合紧密排列；

(2)模拟太阳辐射在路表面加热沥青路面结构，将沥青路面上表面设置为边界热源，不计热辐射和热对流，热量仅通过热管传递；

(3)设置路面结构各层材料的热物性参数和其它单元参数，选定粘弹性模型和平行黏结模型表征沥青砂浆和集料之间的接触类型，以及设置单元颗粒之间的接触热阻系数，建立沥青路面结构的离散元热分析模型；

(4)在沥青路面结构离散元热分析模型的上表面模拟太阳辐射输入热量，运行离散元热分析模块，进行沥青路面结构层间热阻状况分析，并在沥青路面结构的离散元热分析模型保存计算结果。

(5)在沥青路面结构的离散元热分析模型上利用伺服机制模拟车辆荷载在模型上表面运行，进行热力学耦合分析，记录不同层间热阻状况下的车辆荷载中心和周边位置处沥青路面各层层底的拉应力、压应力、剪应力和位移，分析不同层间热阻特性对沥青路面结构受力的影响。