摘要：本文采用有限元软件对低温地区典型的半刚性沥青路面结构进行了力学响应模拟，分别计算了温度应力和温度与荷载共同作用下的路面结构力学响应，分析了不同时刻路面内部温度应力随外界环境的变化规律，计算结果表明：无论是单独温度作用，还是荷载和温度共同作用，路面结构应力随外界气温呈现周期性变化，设置应力吸收层可显著减小沥青层底拉应力，说明设置应力吸收层可抑制或减缓基层反射裂缝向面层扩展。关键词：低温地区；沥青路面结构；应力吸收层；温度应力Influenceof rubber asphalt stress absorbed layer on temperature stress of asphalt pavementin low temperature regionQin keZhong JiaoGuo Tong Highway Engineering Co., LTD, Nanyang Henan 473000,ChinaAbstract: Inthis paper, mechanics response of asphalt pavement on semi-rigid base wassimulated by the finite element software based on low temperature. The pavementstructure temperature stress and couple stress of temperature and traffic loadswere calculated under different moment. The change law of temperature stressunder climatic periodic variation was further studied. The calculation resultsshow that no matter the effect of alone temperature or combination of load andtemperature on the pavement structure, setting up the stress absorbing layercan significantly reduce the tensile stress of asphalt layer bottom in the pavementstructure, and inhibit or slow down reflection crack spreading to the surfaceof pavement structures.the alone, alone or combination of loadand temperature, the pavement structure stress varies with the temperatureperiodic change,Keywords: Lowtemperature region; asphalt pavement structure; stress absorbing layer;temperature stress1引言沥青路面结构不仅要经受自然环境的考验，还需承受交通荷载的反复作用。特别在常年低温地区，沥青路面在服役期产生低温开裂已成为普遍问题[1-2]。目前我国沥青路面半刚性基层材料主要是采用水硬性结合料处治的稳定碎、砾石，由于外界温度湿度变化以及筑路材料本身的特性，半刚性基层材料极易产生初始裂缝，随着基层产生初始裂缝，在外界温度和交通荷载等因素影响下，基层裂缝会向面层方向扩展，此类裂缝称为半刚性基层反射裂缝[3-5]。其中，温缩型反射裂缝在低温地区也尤为突出，究其原因是在周期性温度影响下产生周期性温度应力，周期性温度应力引起路面结构材料反复收缩膨胀而开裂，另外，温度应力与交通荷载共同作用下产生的耦合应力会进一步导致反射裂缝发生，极大地缩短了沥青路面的使用寿命。橡胶沥青应力吸收层是设置在沥青面层与半刚性基层之间的一种高弹性低劲度夹层，其厚度一般为1cm～5cm，弹性模量100MPa～1000MPa，橡胶沥青应力吸收层中的橡胶沥青有良好的粘结作用，可以增加沥青面层与基层之间的黏附能力，有效抑制基层中的裂缝反射到路面的面层中，提高道路的使用寿命。限于试验条件和实测技术不足，不可能对各种厚度和模量的路面结构应力应变进行实地监测[6-8]。本文以青海省G214为例，借助ABAQUS有限元软件有效地模拟沥青路面温度应力和温度荷载共同作用下的力学响应，为沥青路面结构设计提供参考。2 计算参数确定2.1材料参数计算沥青路面结构温度场和温度应力时，选取的结构和材料参数见表1-表2；调查得到青海省玛多县2017年中温度最低的24h气温，见表3，其中日最高气温-16℃，日最低气温-34℃，日太阳辐射20.13E6，风速2.5m/s，日照时数9h。表1 沥青路面结构及材料参数[9-10]层位结构类型厚度/cm弹性模量/MPa密度/(kg/m3)泊松比上面层AC-134200024000.35下面层AC-165180024000.35基层水泥稳定碎石18320023000.25底基层水泥稳定碎石18300023000.25垫层级配砂砾2530021000.35土基--4518000.40表2 路面温度场热特性参数[11]结构层热传导系数/(J/（m·h·℃）)热容量/(J/（kg·℃）)热膨胀系数/（10-5·℃-1）AC-1345008401.5AC-1646008551.5水泥稳定碎石55009201.7水泥稳定碎石55009201.7级配砂砾50008900.9土基580090520表3 一天24h的气温时刻/h气温/℃时刻/h气温/℃时刻/h气温/℃时刻/h气温/℃时刻/h气温/℃0-305-3410-2715-1620-231-316-3411-2516-1821-242-327-3412-1917-1922-253-338-3413-1818-2223-284-349-3014-1619-2224-302.2 有限元模型的建立及边界条件该计算模型的几何尺寸设为，长(X)6m，宽(Y)6m，高(Z)3m，其中X为行车方向，Y为道路横断面方向，Z为道路深度方向。考虑计算结果的精确性，轮迹带网格进行加密；在进行热传导分析时网格类型采用传热单元，在温度应力分析时采用三维应力单元。路面结构温度场模拟采用的单元类型为DC3D8。约束类型为：道路纵向两端限制Z向位移，道路左右两侧限制X方向位移，道路底部采用固定约束。路面结构有限元模型如图1所示。
图1 路面结构有限元模型2.3 初始温度场的确定本文以一天24h的周期性气温在路面结构稳定后的温度场作为路面初始温度场。计算路面温度场时，将分析步设置为3天，分别提取每一天的路表温度场，得到路表温度场随气温的变化规律，如图2所示。由图2可以发现，路表温度随气温也呈现周期性变化，且第三天和第二天的路表温度已经比较接近，说明第三天时路面结构温度场基本稳定，这与文献[12]的计算结果一致。考虑到计算效率和计算精度问题，选取第三天路面结构的温度场作为初始温度场。
图2 路面温度场3温度应力分析温度应力是路面结构体随温度变化产生的热胀冷缩效应，但由于边界条件的约束，无法自由伸缩而在内部产生的应力。温度应力计算模型是在温度场模型的基础上，通过添加材料的物理力学参数（温缩系数、弹性模量和泊松比等）、改变分析步等方式得到。在温度场模型的基础上，删除导热系数与比热两个材料特性，添加表1和表2的材料属性，并删除原温度场模型的分析步，创建step-1（静力，通用）时长72h，固定增量类型，增量步大小取1，温度应力模型的边界条件同道路模型相同。从计算结果中分别提取Mises温度应力和荷载、温度共同作用下的Mises应力，ABAQUS计算结果中出计算结果如图3所示。从图3可以看出：温度应力随道路深度的增加而减小，最大温度应力出现在路表；温度梯度越大，温度应力也越大；温度变化对路面结构温度应力的影响较大的道路深度范围在11cm内，在11cm～47cm深度范围时，温度应力变化很小，此时温度应力对结构的影响可忽略不计。在相同的起始温度下，降温速率愈快，产生的温度应力愈大；设置应力吸收层的沥青路面结构可以减小其上层和下层的温度应力，对其上层的影响更加明显，显著减小了沥青层底的温度应力。因此，设置应力吸收层不仅可以减少Bottom-up（由下向上发展）裂缝的形成，还可以减少Top-down（由上向下发展）裂缝的产生，但是对Bottom-up裂缝的抑制效果更突出，可以减缓反射裂缝的发生。
图3两种路面结构Mises温度应力3 温度应力和荷载共同作用温度应力的分析仅仅是考虑了气候环境的作用，真实的道路环境还需考虑荷载的共同作用对路面结构内部的力学影响。为此本文研究了在温度和荷载共同作用下未设置和设置应力吸收层路面结构的力学响应，结果如图4所示。
图4 两种路面结构的Mises应力由图4可看出，未设置与设置应力吸收层的两种路面结构受力规律相似，均受拉应力作用，但是可以明显看出，在15h，设置应力吸收层的路面结构沿道路深度9cm处的Mises应力明显减小，由0.65MPa降低至0.2MPa；另外，各时刻9cm以下的路面结构Mises应力也明显减小，说明Mises应力沿路面深度方向影响减弱。因此，可以得出，设置应力吸收层的路面结构可以明显减小基层反射裂缝向面层扩展。4 小结（1）设置应力吸收层的沥青路面结构可以减小其上层和下层的温度应力，对其上层的影响更加明显，还可以减少沥青层底的温度应力。因此，设置应力吸收层不仅可以减少Bottom-up裂缝的形成，还可以减少Top-down裂缝的产生，且对Bottom-up裂缝的抑制效果更突出。（2）路面结构各层Mises温度应力均为正值，表明路面结构处于受拉状态。14时刻，路表温度应力最大，其变化规律与外界气温相似，沿道路深度方向Mises温度应力逐渐减小。（3）温度和荷载共同作用下，沥青层底Mises应力较单独温度作用下的大；与未设置应力吸收层的路面结构相比，设置应力吸收层的路面结构上基层底和沥青层底Mises应力显著减小。参考文献[1] 赵复笑,余天庆,金生吉.沥青路面反射裂缝机理及夹层结构应力分析[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版),2010,26(2):296-300．[2] 许云.橡胶沥青应力吸收层作用机理的研究[J].中外公路,2010,30(06):221-225.[3] 杨洋,张苛,季社鹏.橡胶沥青应力吸收层抗反射裂缝性能研究[J].中外公路,2013,33(06):323-326.[4] 王龙,郭攀.橡胶沥青应力吸收层性能研究及应用[J].路基工程,2014(06):107-111.[5] 孙雅珍,唐雪莹,张思博,顾章义.重载和温度作用下橡胶沥青应力吸收层的抗裂性能[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版),2016,32(01):98-105.[6] 高敏杰,李国芬,高俊启,侯彦明.橡胶沥青应力吸收层对路面防裂的影响[J].南京林业大学学报(自然科学版),2008,32(06):151-153.[7] 王飞.橡胶沥青应力吸收层防治反射裂缝的力学分析[J].公路与汽运,2014(02):147-150.[8] 胡晓鹏.半刚性基层沥青路面温度-应力耦合动响应及疲劳特性研究[D].西安:长安大学,2012.[9] 廖公云,黄晓明.Abaqus有限元软件在道路工程中的应用[M].东南大学出版社,2014.[10] 王志岗.甘肃省沥青路面低温温度应力综合分析[D].西安:长安大学,2012.[11] 冯德成.胡伟超.于飞.等.沥青路面材料热物性参数对温度场的影响及敏感性分析[J].公路交通科技,2011,28(11):12-19.[12] 方俊.基于扩展有限元的沥青路面半刚性基层反射裂缝扩展模拟分析[D].北京交通大学,2017.中国公路养护技术2群：320868765中国公路养护技术3群：563740419
