《Frontiers in Materials》：Study on temperature field and thermal stress of bridge deck pavement structure based on viscoelastic parameters
编辑推荐：
在重交通荷载与温度效应的共同作用下，桥面铺装结构常出现使用寿命缩短的问题，严重影响了结构完整性和车辆安全。研究人员建立了桥面铺装温度场（temperature field）模型，并通过已发表的现场实测数据验证了其可靠性。通过Abaqus模拟获得了不同温度分区内
在重交通荷载与温度效应的共同作用下，桥面铺装结构常出现使用寿命缩短的问题，严重影响了结构完整性和车辆安全。研究人员建立了桥面铺装温度场（temperature field）模型，并通过已发表的现场实测数据验证了其可靠性。通过Abaqus模拟获得了不同温度分区内铺装层的温度分布。拟合了沥青混合料的Prony系列（Prony series）参数，从而能够计算随气候变化的温度诱导应力（temperature-induced stress），并分析铺装材料性能和结构层厚度对这些应力的影响。结果表明，铺装温度场随环境温度呈周期性波动，且温度随深度逐渐降低。夏季采用高导热系数材料可降低铺装峰值温度，而冬季采用高比热容材料可提高最低温度。温度诱导应力的时变规律与温度场一致，冬季应力显著高于夏季。夏季，表面温度（如酷热区62.5°C）高于下层温度，而冬季（如严寒区-24.7°C）则相反，为热力学分析提供了数据基础。
桥面铺装作为桥梁结构的关键保护层，在承受重交通荷载的同时还需应对环境温度变化，其早期破坏如车辙、开裂和层间粘结失效等问题严重缩短了服役寿命，威胁结构安全与行车舒适性。现有研究多单独聚焦于材料性能、荷载响应或现场病害，而对气候温度分区、材料热物理性质、沥青混合料黏弹性（viscoelasticity）以及结构层厚度对温度诱导应力（temperature-induced stress）的耦合影响缺乏量化分析。为此，研究人员在《Frontiers in Materials》上发表论文，建立并验证了一套场-验证的热-力学分析框架，旨在揭示桥面铺装温度场（temperature field）演化规律及其与黏弹性响应的关联，为高低温环境下的材料选择和结构优化提供定量支持。
研究人员开展了系统研究，建立了基于实际箱梁桥的有限元模型，温度场模型通过已发表夏季实测数据验证（最大相对误差9.3%）。引入来自不同气候分区（酷热区、炎热区、凉爽区、严寒区、寒冷区、温和区）的气象数据，模拟铺装层温度分布，并作为热边界条件输入力学分析。通过动态模量测试（dynamic modulus test）获取AC-20、GA-10、SMA-13和AC-13四种沥青混合料的动态模量，基于时温等效原理（time-temperature superposition principle）拟合主曲线，进而转换为松弛模量（relaxation modulus），并利用广义Maxwell模型（generalized Maxwell model）拟合Prony系列（Prony series）参数，定义材料的黏弹性行为。热-力学顺序耦合分析中，定义材料热膨胀系数（coefficient of thermal expansion）、黏弹性参数及热物理参数（导热系数、比热容），研究了不同气候条件、材料组合和结构层厚度对温度应力的影响。
主要结果如下：
**4.1 动态模量与Prony系列**：动态模量测试表明，随温度升高模量显著降低，随加载频率增加模量增大；低温下模量对频率变化更敏感。主曲线显示，SMA-13和AC-20在低频（高温）区性能优于GA-10。通过转换得到松弛模量主曲线，并拟合出四种混合料的Prony系列参数（包括剪切松弛系数、体积松弛系数和松弛时间），为后续力学分析提供黏弹性本构参数。
**4.2 温度场**：**4.2.1 不同温度分区**：铺装温度场呈现日周期波动，表面温度峰值出现在14:00左右，最低值出现在07:00左右，温度随深度衰减且存在滞后。夏季酷热区表面最高达62.5°C，下层铺装层和混凝土层分别为51.9°C和45.7°C；冬季严寒区表面最低-24.7°C，下层铺装层和混凝土层分别为-23.9°C和-22.4°C。**4.2.2 不同材料**：夏季使用高导热系数材料（如SMA-13）可降低表面峰值温度，因其密实结构促进热传导；冬季使用高比热容材料（如GA-10）可延缓降温，维持较高温度，因其沥青含量高、储热能力强。
**4.3 热应力分析**：**4.3.1 不同温度**：冬季热应力远高于夏季。严寒区冬季夜间冷却阶段（00:00–08:00），横向拉应力从约3.4 MPa增至4.0 MPa；白天加热阶段转为压应力。夏季高温时，表面温度达50°C–60°C时仅产生约0.4 MPa的轻微压应力。低温下沥青材料呈弹性、高模量，导致应力集中；高温下呈黏性、低模量，应力降低。**4.3.2 不同材料**：下层材料热应力大小排序为AC-20 > AC-13 > GA-10，与弹性模量和热膨胀系数乘积Eα（thermal-stress sensitivity index）一致：GA-10、AC-13、SMA-13、AC-20的Eα分别约为0.221、0.256、0.265、0.276 MPa/°C。因此，以热应力控制为目标时，下层材料Eα不宜超过0.26 MPa/°C，严寒区应谨慎使用Eα接近或高于0.27 MPa/°C的材料。此外，层间热膨胀兼容性和黏弹性松弛能力也需综合考虑。
总结讨论部分：研究人员指出，温度场与热应力分析结果揭示了桥面铺装的温度响应规律，冬季低温和材料属性是热应力控制的关键因素。研究人员翻译研究结论如下：桥面铺装温度具有明显的日波动、垂直衰减和滞后效应；冬季热应力显著高于夏季，是铺装开裂的主要诱因；材料性能主要影响应力幅度而非整体趋势，其中Eα指标可作为热应力敏感性初步判据；材料选择应兼顾层间热膨胀兼容性及黏弹性松弛能力，以提升铺装耐久性。
