沥青路面温度场预估模型研究

沥青路面温度场预估模型研究

肖中林

重庆交通大学 土木工程学院  重庆  400074

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摘要：沥青路面的结构稳定性和耐久性均受到路面温度的影响。本文综述了路面温度场预估模型构建方法、类型和提升预估模型精确度的方法，指出影响路面温度场的主要因素为太阳辐射和气温，且温度应力的变化在路面结构中并不均匀，可以通过合理设置铺装层厚度来减少温度应力对路面结构和功能性的影响。

关键词：沥青路面；水泥路面；温度场；预估模型

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路面直接暴露于空气当中，随着昼夜及四季

温度发生周期性变化，路面的温度也会发生变化[1]。作为一种柔性路面，沥青路面的温度敏感性高，性能受温度变化的影响大，在温度—荷载—水分耦合作用下，容易出现车辙、裂缝等问题[2]。因此，研究路面温度场的变化规律对提升沥青路面的使用性能和耐久性能有着重要的价值。

一、路面温度场的早期研究

路面直接暴露于空气中，影响路面温度场变化的主要因素就是光和热，即辐射热和气温。路面吸收太阳辐射的能量而升温，又受周围空气温度的影响吸热或放热，由此路面的温度产生周期性的变化。早在1957年，Barber[3]将辐射热和气温综合成一种等效温度，假定它们随时间的推移发生正弦变化。此外，他还将路面视为半无限体，同时考虑其表面介质温度的周期性变化。由以上的两种假定，推导出了路面温度场的计算公式。

 1987年，美国SHRP计划对沥青路面在使用年限内所能承受的最极端温度进行研究[4]。研究表明，路表的温度实际取决于路表的热气流。SHRP计划将路表的最高温度取为一年中气温最高七天温度的平均值，建立了路表温度热平衡的公式。

Straub[5]认为太阳辐射对路面温度变化的影响要远远强于气温，他认为路面的温度分布与路面厚度无关，并建立了有限差分法来计算路面的温度分布。

1993年，谈至明、姚祖康[6]对水泥混凝土路面的温度场进行研究，并提出了水机混凝土面板的温度计算公式：

式中：t为时间变量，需从早7时为0开始计算；Z为距离路表面的距离（m）；A0为路表的平均日温度（℃）；A为路表温度的日变化幅度（℃）；

早期的路面温度场的研究，多采用理论分析的方法。不能准确地反映出温度场的变化。现多采用统计分析的方法来构建路面温度场的预估模型。

二、沥青路面温度场预估模型

2.1全厚式沥青温度场预估模型

路面所处环境极其复杂，路面温度场的长期预估模型精确度不足，现在人们将研究中心放在在较短时间间隔内路面的温度变化上[7]，这种模型所需要的参数较少，精度也更高，更能满足工程上的需求。BELLS模型的路面温度数据来源于4.6~30.5cm的沥青路面，PAKR模型的路面温度数据来源于小于18cm的沥青路面。李伊、刘黎萍等[8]采集了大量的全厚式路面的温度场数据，采用回归分析的方式，建立了全厚式沥青路面温度场的预估模型：

式中：F为气温系数；G为太阳曝辐量系数；C为常数修正项；TaN为N小时内累计气温的平均值；QN为总太阳曝辐量。

三、气象因素对沥青路面温度场的分布规律的影响

气象的变化可以显著的影响沥青路面温度场的变化。秦健[8]等指出气温变化与太阳辐射强度是影响沥青路面温度场的主要因素，并利用统计分析方法建立了沥青路面温度场预估模型。李浩天[10]等采用分层统计方法，建立沥青温度场预估模型时，考虑到气温与太阳辐射的影响滞后时间，引入了衰减因子，增加了模型预估的准确性。白琦峰[11]等实测了路面温度数据和气象数据，引入了深度衰减因子作为模型构建的参数，由此而得到了新的沥青路面温度场模型。

结论

（1）路面直接暴露于空气中，其温度场受到多种因素的耦合作用，其中太阳辐射强度和气温是主要的影响因素。

（2）温度场预估模型的构建方法主要有理论分析和统计分析的方法。理论分析以热力学理论为基础，不需要很多实测数据，往往预估精准度不够。统计分析通过统计学原理分析大量当地路面温度实测数据，预估精确度更高，但适用范围更小。

（3）在路面结构中，越往下，温度应力的变化幅度就越小。构建路面结构预估模型时，考虑太阳辐射和气温的滞后性，引入深度衰减因子可以提高模型预估的精确度。

参考文献：

[1] 曾惠珍. 沥青路面与水泥路面温度场对比研究[J]. 福建建材, 2020(08): 7-8.

[2] 王忠源. 温度、水和损伤作用下的沥青路面力学响应分析[D]. 合肥工业大学, 2020.

[3] Barber E S. Calculation of maximum pavement temperatures from weather reports[J]. Highway Research Board Bulletin, 1957(168).

[4] Robertson W D. DETERMINING THE WINTER DESIGN TEMPERATURE FOR ASPHALT PAVEMENTS (WITH DISCUSSION AND CLOSURE)[J]. Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists, 1997, 66.

[5] Straub A L, Schenck Jr H, Przbycien F E. Bituminous pavement temperature related to climate[J]. Highway Research Record, 1968(256).

[6] 谈至明, 姚祖康. 非线性温度场下的水泥混凝土路面温度应力[J]. 中国公路学报, 1993(04): 9-17.

[7] Lukanen E O, Stubstad R, Briggs R C, et al. Temperature predictions and adjustment factors for asphalt pavement[R]. Turner-Fairbank Highway Research Center, 2000.

[8] 李伊, 刘黎萍, 孙立军. 全厚式沥青路面温度场预估模型[J]. 同济大学学报(自然科学版), 2020, 48(03): 377-382.

[9] 秦健, 孙立军. 沥青路面温度场的分布规律[J]. 公路交通科技, 2006(08): 18-21.

[10] 李浩天, 贾渝, 白琦峰. 柔性基层沥青路面温度场的预估模型[J]. 武汉理工大学学报, 2010, 32(24): 84-89.

[11] 白琦峰, 钱振东, 李浩天, et al. 基于统计回归法的沥青路面温度场模型[J]. 公路交通科技, 2011, 28(11): 27-31.

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