基于温度场的BRT沥青路面结构永久变形特性分析*
时间：2023-01-25 22:35:03 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
赵玉壁 吴 玉 林家琛
(1.甘肃省铁路投资建设集团有限公司 兰州 730030；
2.西南交通大学土木工程学院 成都 610031；
3.兰州交通大学土木工程学院 兰州 730070；
4.中国铁路设计集团有限公司 天津 300450)
快速公交系统(bus rapid transit，BRT)作为一种新型高效的公共交通方式，在提高城市运输效率、缓解交通压力方面成效显著。但从运营现状来看，很多BRT道路在投入使用不久就出现车辙、拥包、疲劳开裂等病害，且在夏季的公交车停靠站点车辆启停路段表现得尤其严重。这些病害的发生，大多与BRT沥青路面结构温度高和BRT车辆载重大、速度低、加减速频率高等荷载特性有关，对此许多学者开展了研究。路面结构温度方面，宋小金等[1]通过埋设温度传感器对沥青路面不同深度处温度进行数据采集，研究了大气温度与路表温度关系，以及沥青路面结构温度随深度的变化规律。陈嘉祺等[2]考虑路面温度的影响因素和分布变化特性，建立了路面温度场的理论-经验预估模型。周兴业等[3]对路面结构施加温度场，探讨了温度与弯沉、应力、应变之间的关系。车辆荷载作用方面，李倩等[4]将行车荷载视为随机动荷载，分析了车辆和沥青路面结构的相互作用和路面结构的损伤机制。蒋鑫等[5]考虑移动荷载的非均布特性，对沥青路面结构的动力响应进行了分析。艾长发等[6]通过对路面施加垂向和水平荷载，研究了城市道路上车辆制动情况下的路面受力变化。以上研究成果充分表明了沥青路面结构温度条件和车辆动力特性对力学响应的重要性，但在二者联合作用方面考虑偏少，实际温度和公交车制动条件下的BRT沥青路面结构受力特性研究有待深入。
由此，本文依托兰州BRT沥青路面工程，采用大型通用有限元软件ABAQUS建立动力分析模型，通过Fortran语言编写用户子程序引入夏季BRT道路实际温度场，并实现不同初始速度下的公交车辆制动，以研究基于温度场和BRT公交车制动状态的沥青路面结构力学行为特性。
1.1 路面结构模型
建立与兰州BRT沥青路面结构一致的三维有限元分析模型，模型尺寸为道路横断面方向(X轴)6 m、深度方向(Y轴)6.76 m，行车方向(Z轴)12 m，路面各结构层厚度和材料参数见表1。鉴于温度场对路面结构力学性能的影响，面层沥青混合料采用应变硬化蠕变模型，表1中A、n、m是与温度相关的模型参数[7]，基层、底基层和路基采用文献[8]中20 ℃条件下相应材料动态参数。有限元模型网格采用局部细化荷载作用区域的方式划分，其余区域网格间距随与荷载距离增大逐渐放宽。边界条件为侧面(X方向、Z方向)施加对称约束，路基底面(Y方向)施加固定约束。
表1 BRT沥青路面结构和材料动态参数
1.2 温度场条件
假定BRT沥青路面结构层各向同性，层间完全连续，路面结构温度场水平方向分布不变，仅考虑沿深度方向的热流传递，且热流连续。表2为BRT沥青路面各结构层材料的热属性参数，表3为分析采用的兰州高温季节具有代表性的1 d内24 h气温。
表2 沥青路面结构各材料热属性参数
表3 兰州高温季节1 d 24 h气温
1.3 荷载的施加
兰州BRT公交车参数见表4。由于轴距较大，且后轴轴荷明显大于前轴，故仅取后轴进行建模分析。根据式(1)～(4)将后轴的双轮荷载等效简化为单轮矩形，荷载长宽比为0.871 2/0.6[9-10]，简化后荷载长0.32 m，宽0.22 m，接地压强0.733 MPa。参考BRT运营速度实测数据，设定公交车速度10，20，30，40 km/h 4个工况，水平力系数取0.5。
表4 TBR公交车参数
(1)
(2)
La=0.871 2L
(3)
Lb=0.6L
(4)
式中：P为标准设计轴载100 kN；
p为标准设计轮胎接地压强0.70 MPa；
Pi为分配于轮胎上的轴载，kN；
pi为轮胎接地压强，kPa；
La、Lb为矩形轮印当量长和宽，m。
拟定夏季高温季节为100 d，每天的温度场条件如前所述。采用“以静代动”方式实现BRT车辆重复加载。图1给出了1 d内BRT经过分析站点的次数，假设多次循环加载和采用1个累计时间的单次加载是等效的，各车速条件下荷载累积作用时间计算公式如下。
图1 1 d内BRT车辆经过分析站点次数
(5)
式中：t为轮载累计作用时间，s；
N为轮载作用次数；
P为车辆轴重，kN；
nw为轴的轮数，个；
p为轮胎接地应力，MPa；
B为轮胎接地宽度，cm；
v为车辆行驶速度，km/h。
图2为BRT沥青路面结构1 d(24 h)的温度变化情况。由图2可见，路面结构内温度变化趋势与气温变化趋势大致相同。由于沥青路面对太阳辐射的吸收率远大于空气，路面结构最高温度出现在路表，为51.7 ℃，上、中、下3个面层的温度也都明显高于大气温度。随着路面结构深度增加，温度的变化逐渐滞后，12:00-16:00时间段路面结构整体温度最高，但温度升高的幅度亦逐渐变小，基层以下受气温变化的影响已不明显。
图2 路面各结构层1 d(24 h)温度变化
不同车速的荷载重复加载100 d后，路表竖向永久变形结果见图3。
图3 不同车速下路表竖向永久变形随道路横断面方向的变化
由图3可见，在竖向和水平荷载共同作用下，路表在荷载下方产生了凹陷变形，最大凹陷值出现在轮印中心；
轮迹两侧出现了向上的隆起变形，最大隆起值出现在轮印外侧0.135 m处。定义路面结构内与路表最大凹陷和隆起变形同一水平位置的点分别为A和B，图4给出了各深度处A点和B点永久变形随时间的变化曲线。
图4 不同车速下沥青路面各点位处永久变形随时间的变化
由图4可见，在06：00到11：00时间段，虽然BRT车辆频次逐渐增加，但路面温度还未上升到较高水平，路面各深度处的变形增加缓慢，且为压密凹陷变形；
11：00到14：00时间段内，随着沥青路面结构温度迅速升高，路面各深度处的凹陷变形明显加快，路表亦开始出现隆起变形，说明沥青混合料在压应力与剪应力的综合作用下开始出现流动和重排列；
虽然在14：00以后气温逐渐降低，但由于路面结构内部温度变化的滞后性，路表以下温度仍然在升高，因此该时间段变形发展速度最快，各结构层隆起变形也达到最大值；
18：00以后路面结构温度逐渐降低，虽然BRT频次仍然较大，但路面各结构层变形已趋于稳定。从永久变形发展的过程来看，14:00-18:00是沥青路面结构永久变形发展最迅速的时间段，相较于BRT车辆作用的频次，温度对路面永久变形的影响更大。此外，从永久变形产生的层位来看，永久变形主要发生在面层范围内，基层以下变形值接近于0，说明夏季BRT沥青路面结构永久变形形式主要为失稳性车辙，降低面层的高温敏感性，将有效提高沥青路面的抗车辙能力。
图5为不同车速BRT车辆加载结束后沥青路面结构上、中、下面层的永久变形值。
图5 各结构层永久变形随车速的变化
由图5可见，上、中、下面层的凹陷和隆起变形值均随速度增大而减小，且不同行车速度下，中面层的凹陷和隆起变形值都最大，说明为延缓车辙的发生，在合理提高车速的同时，应该尤其关注中面层的抗变形能力。
1)夏季BRT沥青路面结构永久变形以失稳性车辙为主，在BRT沥青路面结构实际工程中，应特别注意提高面层材料的抗变形能力，并加强面层之间的黏结力。
2)BRT沥青路面结构在12:00-16:00时间段整体温度最高，永久变形在14：00-18：00时间段内发展最快，永久变形累积相对路面结构温度升高具有滞后性。相较于BRT车辆作用的频次，温度对沥青路面永久变形的影响更大，降低面层的高温敏感性，将有效提高沥青路面的抗车辙能力。
3)上、中、下面层的凹陷和隆起变形都随车辆速度的增大而减小，且不同行车速度下，中面层的凹陷和隆起变形值均为最大，为延缓永久变形的产生和发展，在合理提高车速的同时，应该尤其关注中面层的抗变形能力。
猜你喜欢 结构层面层温度场 市政道路沥青路面面层裂缝产生原因及防治措施建材发展导向(2022年2期)2022-03-08道路沥青混凝土面层质量检测分析建材发展导向(2021年11期)2021-07-28铝合金加筋板焊接温度场和残余应力数值模拟舰船科学技术(2021年12期)2021-03-29高速公路 AC-20C SBS 改性沥青混凝土中面层压实工艺研究西部交通科技(2021年9期)2021-01-11常用天然改性沥青面层材料比选山东交通科技(2020年2期)2020-08-13一种热电偶在燃烧室出口温度场的测量应用电子制作(2019年19期)2019-11-23高大厂房散热器与辅助采暖的温度场研究建材发展导向(2019年5期)2019-09-09透水铺装应用于海绵城市建设中的若干问题探究价值工程(2018年16期)2018-07-18基于Fluent 的电液泵流场与温度场有限元分析北京航空航天大学学报(2017年8期)2017-12-20城市道路柔性路面结构的应用科技与创新(2016年8期)2016-05-05
