CMIP6增温情景下中国半刚性/柔性基层沥青路面温度设计参数与耐久性响应评估

《Coatings》：Asphalt Pavement Design and Durability Under CMIP6 Warming in China

　　

气候变暖会改变沥青路面设计要求与耐久性。WorldClim 2.1与8个CMIP6（Coupled Model Intercomparison Project Phase 6，第六次耦合模式比较计划）模式提供共同气候输入，用于比较中国代表性半刚性基层与柔性基层沥青路面。以1970—2000年为基线，评估SSP2-4.5（Shared Socioeconomic Pathway 2-4.5，共享社会经济路径2-4.5）和SSP5-8.5（Shared Socioeconomic Pathway 5-8.5，共享社会经济路径5-8.5）下三个未来时期。JTG D50-2017（中国公路沥青路面设计规范）关系将气候输入与等效层厚度及模量结合，计算温度调整系数和等效温度。在每种结构其他设计输入固定条件下，温度相关性能关系分别针对每个气候模式量化允许荷载重复次数、容许路基应变和沥青层永久变形的相对变化。全国面积加权与九城市结果以集合中位数和四分位距（interquartile range，IQR）汇总。2021—2040年，SSP2-4.5和SSP5-8.5下全国增温集合中位数分别为1.64 °C和1.85 °C。SSP5-8.5下，半刚性基层和柔性基层沥青路面沥青层允许荷载重复次数全国平均减少的集合中位数分别由2021—2040年的4.10%和6.86%增至2081—2100年的11.84%和19.25%。该情景下本世纪末全国增温在各模式间为4.23—8.20 °C。基于全国均值集合中位数，柔性基层与半刚性基层沥青层温度系数增量之比为2.35，且8个模式均显示柔性基层增量更大。这些发现支持更新本地温度输入，并按照与项目设计期匹配的疲劳、路基应变和车辙验算比较候选结构。

研究背景：气候条件影响沥青路面材料选择与结构设计。中国气候地形多样，路面气候分区与温度设计区域差异明显；沥青材料温度敏感，持续增温可影响其响应和热老化，长设计寿命路面需考虑未来气候。已有全国评估结合历史气象与性能关系分析增温对疲劳、永久变形、容许路基应变和低温开裂影响；不同气候区车辙与韧性研究表明影响随区域变化。Wang et al. 分析不同排放情景下代表区域温度设计参数并比较结构、材料参数、永久变形和疲劳响应；温度与应变随深度分布影响沥青层疲劳临界位置，老化和温频材料性质影响开裂；气候条件和设计方法影响性能评估，气候适应性设计提出将未来情景纳入结构设计和修复规划。前期全国研究采用站点气候统计和全球平均地表温度关系，九城市研究在共同CMIP5输入下比较半刚性和柔性基层路面；仍需在共同情景路径下开展跨空间和评估期整合比较，并检验结构排序是否跨单个气候模式持续。为此，研究人员结合WorldClim 2.1历史气候与8个CMIP6（Coupled Model Intercomparison Project Phase 6，第六次耦合模式比较计划）模式，评估SSP2-4.5（Shared Socioeconomic Pathway 2-4.5，共享社会经济路径2-4.5）和SSP5-8.5（Shared Socioeconomic Pathway 5-8.5，共享社会经济路径5-8.5）下三个未来时期相对1970—2000的响应，提出H1和H2，以支持更新本地温度输入并按疲劳、路基应变和车辙验算比较候选结构。

技术方法（≤250字）：采用覆盖中国73°E—135°E、18°N—54°N的10弧分网格；历史气候取自WorldClim 2.1（1970—2000），未来气候取自WorldClim发布的经偏差校正和降尺度的8个CMIP6模式（ACCESS-CM2、BCC-CSM2-MR、CNRM-CM6-1、INM-CM5-0、IPSL-CM6A-LR、MIROC6、MPI-ESM1-2-HR、MRI-ESM2-0）数据，设SSP2-4.5、SSP5-8.5及2021—2040、2041—2060、2081—2100。按JTG D50-2017（中国公路沥青路面设计规范）关系由月均温计算年均温和年较差，得基线温度调整系数和基线等效设计温度；以等效层（equivalent layer）厚度和模量计算结构温度调整系数及永久变形用等效温度。各模式逐网格计算，经面积加权得全国统计及集合中位数、四分位距（interquartile range，IQR）；九城市取最近有效网格。

研究结果：
3.1 全国气候参数变化：基于8模式集合和面积加权统计，2021—2040年全国年均温增量中位数为1.64 °C（SSP2-4.5）和1.85 °C（SSP5-8.5），2081—2100为3.22 °C和5.55 °C；年较差变化无一致趋势，2081—2100中位数为?0.23 °C和?0.26 °C且四分位区间跨零；T_ξ增量中位数为3.28 °C和5.81 °C，主要受年均温升高驱动。
3.2 结构相关设计因子响应差异：同一气候输入下，柔性基层沥青层和路基温度调整系数增量大于半刚性基层；SSP5-8.5下2081—2100的ΔK_T1集合中位数为0.102和0.239，柔性/半刚性比为2.35；半刚性基层ΔK_T2中位数0.229，超过ΔK_T1和ΔK_T3；8个模式均保持柔性基层增量更大，±10%和±20%单参数扰动下排序仍持续。
3.3 空间格局与模型差异：SSP5-8.5下2081—2100全国网格ΔT_ξ集合中位数为3.32—7.67 °C，北方和部分西北增温较大、南方和东南较小；ΔK_T1半刚性0.051—0.141、柔性0.083—0.383，每个网格柔性均更大；柔性基层模型间四分位距更大；所有模式方向为正，最高为IPSL-CM6A-LR、最低为INM-CM5-0。
4.1 典型城市气候变化及相应设计参数：九城市中位增温在2041—2060为2.29/2.87 °C、2081—2100为3.26/5.34 °C（SSP2-4.5/SSP5-8.5）；北京K_T1随时间增加，2081—2100半刚性为0.935/0.981（基线0.872），柔性为1.410/1.529（基线1.252）；北京T_ξ由19.63 °C升至22.76/25.26 °C，模型间四分位距随时间增大。
4.2 温度设计参数区域变化：2081—2100半刚性ΔK_T1空间范围在SSP2-4.5/SSP5-8.5为0.027—0.079/0.051—0.141，柔性为0.044—0.209/0.083—0.383；高排放情景增大所有区域增量并扩大空间差异；相对增量哈尔滨最高、广州最低，但绝对与相对增量城市排序不完全一致（重庆稳定层ΔK_T2 0.296高于哈尔滨0.270，相对增量20.83%低于哈尔滨）。
5.1 基于设计的性能评估：采用JTG D50-2017温度相关性能关系，固定材料、层厚、交通和力学响应，仅更新温度调整系数和等效温度，计算允许荷载重复次数（allowable load repetitions）减少、容许路基应变（allowable subgrade strain）减少及沥青层永久变形（permanent deformation）相对增加。
5.2 路面耐久性响应：SSP5-8.5下沥青层允许荷载重复次数全国平均减少集合中位数由2021—2040的4.10%（半刚性）和6.86%（柔性）增至2081—2100的11.84%和19.25%，稳定层达18.70%；路基应变减少由0.65%和1.03%增至2.27%和3.54%；每个网格柔性沥青层减少均大于半刚性，支持H1，并与Miao et al.和Wang et al.趋势一致。
5.3 区域响应与路面设计：城市疲劳响应中哈尔滨柔性基层沥青层允许荷载重复次数减少22.90%最大、广州13.08%最小；路基应变减少乌鲁木齐最高（半刚性3.28%、柔性5.12%）、拉萨最低（1.79%、2.80%）；永久变形相对增加拉萨342.55%、哈尔滨153.12%、乌鲁木齐152.43%、广州45.86%；不同性能指标城市排序不同，支持H2；拉萨与广州差异可由升温幅度和历史等效温度解释，T_pef拉萨由8.93升至14.83 °C，广州由30.46升至34.64 °C。

讨论总结：讨论将全国结构对比与性能依赖的城市排序联系，指出柔性基层温度系数增量在气候情形和结构扰动下持续较大，而城市在疲劳、路基应变和永久变形上的排序不同，支持结构比较与局部性能校核结合；疲劳评估应涵盖沥青层和稳定层；降尺度与偏差校正影响未单独量化；2021—2040可用于近期设计修复，2041—2060为附加气候情形；项目应用需按各模式和情景检查准则；研究固定交通、材料、力学响应，未模拟湿度、冻融、老化和交通演变，月气候学不能解析短时热极端，需本地校准和外部验证及候选方案重算。

研究结论（译）：（1）年均温升高是路面设计温度升高的主要驱动，SSP2-4.5与SSP5-8.5差异在后期增大；相对1970—2000，2021—2040全国面积加权增温集合中位数为1.64 °C和1.85 °C，2081—2100为3.22 °C和5.55 °C，T_ξ相应增加3.28 °C和5.81 °C；月均温年较差变化较小且模式方向不一。（2）两种基层结构对相同气候输入响应不同；SSP5-8.5下2081—2100沥青层温度调整系数全国面积加权平均增量集合中位数为半刚性0.102、柔性0.239，柔性为半刚性的2.35倍，8个模式两情景排序一致；±10%和±20%等效模量与厚度单参数扰动下柔性仍保持较大沥青层和路基温度系数增量；半刚性基层中稳定层系数增量超过沥青层和路基。（3）2021—2040已显现温度相关性能变化；SSP5-8.5下沥青层允许荷载重复次数全国平均减少集合中位数由4.10%和6.86%增至11.84%和19.25%，容许路基应变减少由0.65%和1.03%增至2.27%和3.54%，稳定层允许荷载重复次数减少达18.70%；支持更新近期设计和修复的本地温度输入，疲劳验算覆盖沥青层和稳定层，路基验算与计划服务期匹配。（4）SSP5-8.5下2081—2100九城市中，哈尔滨沥青层疲劳允许荷载重复次数减少最大，乌鲁木齐容许路基竖向压应变减少最大，拉萨永久变形相对增加最大；拉萨和广州永久变形集合中位相对增加为342.55%和45.86%，反映升温幅度和历史等效温度共同影响；未来设计应将预估温度条件纳入候选结构疲劳、路基应变和车辙验算，并在设计替代方案修订时重算结构响应。（5）性能估计在固定交通、材料和力学响应输入下分离温度效应；替代降尺度和偏差校正方法的不确定性未单独量化；项目应用应使用本地路面观测进行校准和独立验证。