热-力耦合与移动制动荷载作用下沥青桥面铺装层间剪切响应

《Infrastructures》：Interlayer Shear Response of Asphalt Bridge Deck Pavements Under Thermo-Mechanical Coupling and Moving Braking Loads

　　

沥青桥面铺装在高交通量条件下极易发生车辙、推挤和层间滑移，其中层间剪切应力起决定性作用。为阐明温度梯度和移动荷载的耦合效应，研究人员针对中国中山的双层铺装开发了一个顺序三维热-力（Thermo-Mechanical）有限元模型。利用现场记录的气温、太阳辐射、日照时数和风速来定义瞬态热边界。然后将计算得到的温度场传递到一个具有双矩形接触区域和制动引起的纵向牵引力的完全粘结移动荷载模型。变化了轴载、道路坡度、制动系数以及SMA-13和AC-20层的厚度。预测的温度波动随深度衰减，峰值时间延迟。路面温度在13:00达到58.95 °C，而沥青铺装底部在17:00达到46.99 °C。在采用的14:00近峰值夏季条件下，增加轴载放大了整体响应，并将沥青层最大剪切响应从0.172 MPa提高到0.223 MPa。道路坡度主要影响交通方向的应力传递。将制动系数从0增加到0.7，沥青层中的纵向剪切响应从57.9 kPa增加到161.2 kPa，而在AC-20/混凝土界面附近从56.4 kPa增加到112.6 kPa。增加SMA-13厚度减小了下层层的热和力学需求，而增加AC-20厚度减小了混凝土桥面板附近的响应，但将部分拉力和剪切需求转移到上层沥青层。

**论文解读：热-力耦合与移动制动荷载作用下沥青桥面铺装层间剪切响应**

**研究背景与问题**

沥青桥面铺装是铺设在水泥混凝土桥面板上的多层薄层结构，同时承受环境温度变化、移动交通荷载以及下部桥面板的约束。在高温条件下，沥青混合料刚度降低，铺装层极易出现车辙、推挤、疲劳开裂及层间滑移等病害，其中层间剪切应力是决定性因素。已有研究表明，温度敏感性、结构相容性及层间性能是桥面铺装持续关注的问题。然而，当前研究存在以下不足：第一，许多力学分析采用均匀温度或预设梯度，而基于实测环境条件的瞬态温度场顺序传递至移动荷载模型的研究较少，尤其是在湿热地区，深度相关的温度变化导致上下沥青层在不同时间达到峰值温度，刚度差异显著；第二，轴载、道路坡度及水平交通作用（如制动）往往在不同结构、热条件和响应指标下分别研究，难以直接比较其对纵向和横向界面附近剪切响应的各自影响；第三，上下层厚度变化不仅影响总铺装厚度，还改变热传导路径、温度分布、相对刚度和力学荷载传递，其各自对热衰减和响应重分布的作用需单独研究。因此，本研究旨在通过建立现场信息化的顺序热-力有限元模型，系统评估这些因素对双层沥青桥面铺装层间剪切响应的影响。

**研究内容与结论**

研究人员针对中国广东省中山市（湿热亚热带气候）的典型双层沥青桥面铺装结构（4 cm SMA-13面层 + 6 cm AC-20下层 + 10 cm C30混凝土桥面板），开发了顺序三维热-力有限元模型。利用现场监测的逐时气温、总太阳辐射、有效日照时数和日均风速定义瞬态环境热边界，通过瞬态热分析获得深度和时间相关的温度场，再将该温度场顺序传递至力学模型，施加移动双矩形接触荷载（垂直压力及制动纵向牵引力），并采用完全粘结（tie约束）界面假设。研究变化了轴载（100-200 kN）、道路坡度（1%-5%）、制动系数（0-0.7）以及SMA-13厚度（2-6 cm）和AC-20厚度（4-8 cm），分析了各因素对层间剪切响应（S13、S23应力分量）的影响。论文发表在《Infrastructures》。

**主要关键技术方法**

本研究采用顺序三维热-力有限元方法，在ABAQUS中建立模型。通过FILM子程序模拟对流换热，DFLUX子程序施加太阳辐射和长波辐射，获得瞬态温度场。温度场结果作为预定义场传递至力学模型，力学模型采用C3D8R单元，通过DLOAD子程序实现移动垂直荷载，UTRALOAD子程序施加制动纵向牵引力。材料参数（弹性模量、泊松比、线膨胀系数）由研究人员在20、35、50 °C下实验室测量得到，高于50 °C时线性外推。沥青混合料视为温度相关线弹性材料。界面采用tie约束模拟完全粘结。样本气象数据来源于中国中山气象站。

**研究结果**

**3.1 温度变化**：通过瞬态热分析，结果显示不同深度温度波动幅度随深度衰减，峰值时间延迟。夏季代表日路面表面在13:00达到58.95 °C，沥青铺装底部在17:00达到46.99 °C，时间滞后约4小时。冬季最大温差（约28.6 °C）大于夏季（约21.9 °C），因冬季风速较高增强了表面对流热损失。

**3.2 温度分布**：垂直温度梯度在夏季13:00达到峰值（最大温差约21.9 °C），冬季梯度峰值出现在不同时间。研究表明，没有单一时间点代表所有结构层的最高温度，因此采用14:00温度场作为固定代表性高温状态用于后续力学参数分析。

**3.3 层厚对温度场的影响**：增加AC-20厚度（4-8 cm）对SMA-13表面温度影响很小，但显著降低桥面板顶部温度（从49.5 °C降至44.8 °C）。增加SMA-13厚度（2-6 cm）更直接地降低AC-20层顶部温度（从55.8 °C降至49.3 °C），表明上层厚度对向下热传导的调节作用更直接。

**4.1 不同轴载**：轴载从100 kN增至200 kN，所有主要响应指标（应力、应变、位移、剪切应力）近似线性增加。沥青层内最大层间剪切应力从0.172 MPa增至0.223 MPa（增加约30%），表明轴载是直接放大整体响应的因素。

**4.2 不同坡度**：坡度从1%增至5%对垂直应力、横向应力、横向剪切等影响较小，但显著增加纵向拉伸应力和纵向剪切应力。上层沥青层纵向拉伸应力从99.97 kPa增至119.1 kPa（增加19.14%），说明坡度是方向特异性因素，主要影响交通方向应力传递。

**4.3 不同制动系数**：制动系数从0增至0.7，沥青层纵向剪切应力从57.9 kPa升至161.2 kPa（增加178.3%），AC-20/混凝土界面附近从56.4 kPa升至112.6 kPa（增加99.5%）。制动引起的纵向牵引力是导致剪切响应变化最大的因素，但研究未建立通用敏感性排序。

**4.4 不同厚度**：固定AC-20厚度为6 cm时，增加SMA-13厚度（2-6 cm）减小了下层结构的拉伸和剪切响应，上层拉伸响应降低约62.4%。固定SMA-13厚度为4 cm时，增加AC-20厚度（4-8 cm）减小了下层沥青层和混凝土附近的响应，但增加了上层沥青层的部分拉伸和剪切需求，表明AC-20厚度增加导致响应向上重分布，而非均匀降低。

**讨论与结论**

**讨论部分**总结指出：14:00温度场作为固定近峰值夏季状态，不代表全天的最大剪切响应时刻。制动产生的纵向剪切传递在完全粘结系统中表现为界面附近剪切需求，并非界面强度或破坏。轴载、坡度和制动的影响范围不同，无法直接比较敏感性。层厚影响同时包含热和力学效应，上下层增厚产生不同力学后果。定量结果受限于中山气象、材料参数、结构配置、120 km/h车速及完全粘结界面，外推需谨慎。模型局限性包括：未考虑粘弹性、荷载速率效应、永久变形、累积损伤；50 °C以上材料参数来自线性外推；tie约束排除层间滑移和脱粘；未验证现场内部温度及力学响应。

**结论部分**翻译如下：开发了顺序三维热-力有限元框架，评估了完全粘结双层沥青混凝土桥面铺装的温度场和界面附近响应。在所研究的环保、结构和荷载条件下，得出以下结论。铺装温度表现出显著的深度依赖衰减和时间滞后。在代表性夏季条件下，路面表面在13:00达到58.95 °C，而沥青铺装底部在17:00达到46.99 °C，滞后约4小时。夏季和冬季的最大垂直温差分别约为21.9 °C和28.6 °C。力学分析中使用的14:00温度场代表固定的近峰值夏季状态，而非完整日循环中最大剪切响应的时刻。上下层厚度以不同方式影响热传导。沥青层厚度变化对路面表面温度影响很小，但显著改变下层温度。将AC-20厚度从4 cm增至8 cm，将混凝土桥面板顶部峰值温度从49.5 °C降至44.8 °C。将SMA-13厚度从2 cm增至6 cm，将AC-20层顶部峰值温度从55.8 °C降至49.3 °C，表明其对暴露表面下方热传导有更直接的影响。轴载主要作为一般响应放大因子，而道路坡度具有方向特异性效应。将轴载从100 kN增至200 kN导致主要应力、应变、位移和剪切响应近似比例增加；沥青层内最大剪切响应从0.172 MPa增至0.223 MPa。将道路坡度从1%增至5%对法向应力主导的响应影响较小，但增加了交通方向的拉伸和剪切传递。上层沥青层纵向拉伸应力从99.97 kPa增至119.1 kPa。制动引起的牵引力显著增加了纵向剪切传递。随着制动系数从0增至0.7，沥青层内纵向剪切响应从57.9 kPa增至161.2 kPa，而AC-20/混凝土界面附近的响应从56.4 kPa增至112.6 kPa。在所检查的参数范围内，制动对S13产生的变化最大，但这一结果不构成通用敏感性排序，因为轴载、坡度和制动系数是在不同单位和范围内变化的。增加上下沥青层厚度不产生等效的力学效果。当AC-20厚度固定为6 cm时，将SMA-13厚度从2 cm增至6 cm减小了下部结构的拉伸和剪切响应；上层沥青层纵向拉伸响应降低约62.4%。当SMA-13厚度固定为4 cm时，将AC-20厚度从4 cm增至8 cm降低了下层沥青层和混凝土附近的响应，但增加了上层沥青层部分拉伸和剪切需求。因此，结果展示了响应重分布，而非最优或极限AC-20厚度。由于总沥青铺装厚度也发生了变化，仍需要恒定总厚度分析来分离层厚分配的影响。这些发现是针对所采用的中山气象输入、材料参数、结构配置、120 km/h车速、研究参数范围和完全粘结界面的比较性数值预测。温度相关线弹性公式不表示粘弹性、荷载速率效应、永久变形或累积损伤，而tie约束排除了界面滑移、分离和渐进脱粘。因此，报告的积分点应力表征了通过完整铺装系统传递的剪切需求，不应解释为界面强度或破坏。未来工作应纳入路面内部温度和力学测量、温度和速率相关界面特性、粘弹性沥青行为以及重复移动和制动荷载下的界面损伤。