0 引言

中国幅员辽阔，气候环境复杂，一些极端气候时有发生，在南方地区，冬季冻雨灾害较为严重，一些路段上经常发生结冰现象，从而对车辆的行使造成严重的安全隐患，尤其是在一些高速公路匝道和陡坡路段，交通事故的发生率居高不下，在造成巨大的经济损失的同时也严重威胁了人们人身安全。因此，采取有效快速的除冰祛雪技术，提高道路结构的抗冻防滑能力就显得十分紧要。

针对以上问题设计出一种特殊的道路结构，即控温除雪沥青路面板结构，其结构示意图如图1所示：

               图1控温除雪沥青路面板结构示意图         

此种路面结构将优选的相变储能材料装入无缝钢管中，进行了防冻耐磨试验，通过试验证明这种新型的道路结构可以延缓或控制路面冰冻的现象，起到了良好的融雪除冰效果。本文基于这种结构模型，考虑到此种路面结构的使用潜力，通过有限元软件进行仿真计算，着重研究了该特殊路面的力学效应，以便在实际生活正广泛应用。    

1 路面板结构力学模型及参数

根据实际工程问题，在采用有限元方法对该路面结构进行分析时候应对路面结构本身的尺寸做出适当的选择。整个路面结构可视多层弹性体系，采用二维的模型进行计算，设定整个模型尺寸为3400×2000mm，其中沿路面中心线方向长度为2000mm，整体结构深度为3400mm。

各个结构层的几何尺寸及材料特性如表1所示。

                       表1结构层几何尺寸及材料特性参数

2 有限元分析模型的建立  

采用弹性力学和有限元的方法对融冰除雪沥青路面进行力学分析的时候要先建立合理的有限元模型，故有必要引入以下假设：

(1)各个路面层结构均由连续、各向同性的均质弹性材料组成；

(2)材料参数采用弹性模量和泊松比表示，材料的力学特性服从胡克定律；

(3)各个结构层之间的接触条件是完全连续的，不出现脱离，即应力和位移是完全连续的；

(4)各个结构层在水平方向是无限大的，水平方向无限远处位移和应力为零；

(5)整个结构为半无限弹性体，在无限深处应力和位移为零。

当采用有限元软件计算时，在路面施加标准荷载，采用自由网格的划分方法划分网格。荷载施加后和网格划分后的有限元模型如图2、图3所示。

        图2 施加荷载后的计算模型       图3 网格划分后的计算模型

3 行车荷载作用下控温除雪沥青路面结构受力分析

3.1标准情况下的计算结果

     通过对上述模型的计算，结构的应力和位移云图分别如图4和图5所示。

               图4 Mises应力云图                  图5结构竖向位移云图

对计算结果进行分析可知，在荷载作用位置产生了较为明显的竖向位移，且位于荷载作用范围内的钢管和其下的保温层产生了较大的Mises应力，其中产生的最大竖向位移为0.481mm，路面各个结构层的所受到的最大的应力如表2所示。

                表2路面各结构层所产生的最大应力（MPa）

观察表中数据可得，与一般路面情况相比，面层所受的最大Mises应力增加了9.4%，而所受的层底拉应力却减少14.3%，基层所受的最大Mises应力减少了6.5%，而所受的层底拉应力减少了4.7%。由此可见，钢管层和保温层的存在，会使面层的Mises应力有所增大，不利于路面材料的耐久性；然而由于钢管的弹性模量比较大，故对沥青面层的产生的拉应力起到一定的抵消作用；对基层来讲，钢管和保温层的存在可以适当的减小基层的Mises应力，起到一定的保护基层的作用。

3.2 道路结构中各影响因素的分析

    分析各种因素对控温除雪沥青混凝土路面结构的力学影响，其中的变化因素主要有行车荷载的大小、钢管的直径大小、钢管间距的疏密变化以及钢管层位埋深的变化。

3.2.1 荷载变化情况的影响    

现在不改变路面结构组合设计，分别对轮压荷载为0.9MPa、1.1MPa和1.4MPa的荷载情况进行计算分析，分别统计出各个层位的最大Mises应力和最大拉应力（S₁₁）以及路表弯沉值（U₂），其结果如表3所示。

          表3 荷载变化情况下路面所产生的应力（MPa）和弯沉（mm）

从表中的数据可知，随着荷载的增加，路面各个层位的所受的应力和路表弯沉值基本上都呈线性增加的趋势，其中钢管所受的Mises应力、保温层所受的Mises应力和层底拉应力以及路表弯沉值受荷载增加的影响比较明显，增大幅度比较大，以路表弯沉值的增大幅度最大；而其他各个位置的Mises应力和拉应力增大的幅度较小，这表明道路荷载的增加对基层的影响不是很大，但是路表弯沉值对于作用在道路上的荷载的大小比较敏感，因此，控制超载对保护道路，延长路面结构的寿命是十分必要的措施。

3.2.2 钢管直径变化情况的影响

现在保持荷载为0.7MPa，钢管间距为120mm，钢管层位不变，分别对钢管直径为40mm、30mm和20mm的情况进行计算分析，分别统计出各个层位的最大Mises应力和最大拉应力（S₁₁）以及路表弯沉值（U₂），其结果如表4所示。

          表4 钢管直径变化情况下路面所产生的应力（MPa）和弯沉（mm）

从表中的数据可以看出，在荷载、钢管埋深和间距不变的情况下，仅改变钢管的直径对路面的弯沉以及面层和基层的力学性能的影响不大，基本可以忽略，但是，对钢管自身的影响却不能忽略，随着钢管直径的增大，钢管所产生的Mises应力增大的幅度也比较大，而对于砂浆保温层，其所受的Mises应力增大幅度很小，但是位于钢管层下的砂浆层所受的拉应力增加比较明显，因此在增大钢管直径的同时，要对保温砂浆层做一定的改善，增加保温层的强度，尤其是抗拉强度，以防止保温层破坏。

3.2.3 钢管间距变化情况的影响

现在保持荷载为0.7MPa，钢管直径为40mm，钢管层位不变，分别对钢管间距为80mm、120mm和160mm的情况进行计算分析，分别统计出各个层位的最大Mises应力和最大拉应力（S₁₁）以及路表弯沉值（U₂），其结果如表5所示。

            表5 钢管间距变化情况下路面所产生的应力（MPa）和弯沉（mm）

对表中数据分析可以发现，钢管间距的变化对面层的影响不大，对基层的影响基本可以忽略。但是保温层和钢管自身的Mises应力受到的影响较大，在钢管直径从80mm到160mm变化的过程中，钢管与荷载的相对位置发生变化，从而使钢管所受的Mises应力不能体现明显的规律性，保温层所受最大Mises应力的位置往往与设置在其上的钢管的受力情况密切相关，钢管受应力越大，其下的保温层受的应力也越大。对于各个层位的拉应力而言，钢管间距的改变对其基本不会造成影响。因此在布设钢管时候，在同等条件和保证热量传递的情况下，钢管的间距宜大不宜小，这样既可以节减小钢管自身和保温层所受的Mises应力，而且也可以减少钢材的使用量，降低成本。

3.2.4 钢管层位变化情况的影响

现在保持荷载为0.7MPa，钢管直径为40mm，钢管间距不变，改变钢管层位的埋深，使钢管层从上到下依次移动20mm，分别对钢管不同埋深的情况进行计算分析，分别统计出各个层位的最大Mises应力和最大拉应力（S₁₁）以及路表弯沉值（U₂），其结果如表6所示。

       表6 钢管埋深变化情况下路面所产生的应力（MPa）和弯沉（mm）

     随着钢管位置的下移，面层和基层所受的Mises应力和拉应力都基本呈线性减少的趋势，其中面层Mises应力减小了23.7%，拉应力减小了35.5%；基层的Mises应力减小了41.7%，层底拉应力减小了46.5%。由此可见，钢管下移对面层和基层来讲，都有相当明显的积极作用。而钢管的位置对路面的弯沉值的贡献则不明显，路表弯沉值在钢管下移了160mm后仅仅减小了1.4%，故图中路表弯沉值的图像基本为一条平直线。但是对于保温层，其所受的Mises应力和层底拉应力却是随着钢管埋深而增加的，且增加的幅度很大，保温层的Mises应力几乎增加了一倍，增幅达到了96.3%，层底拉应力更是增加了144%。钢管自身的Mises应力则呈现一种波浪式的曲线形式，但是变动幅度不大，基本在1.86MPa附近上下浮动。因此，钢管层位不宜设置得过于深，以避免保温层承受较大的应力。

4 结语

（1）由于钢管的弹性模量比较大，其对沥青面层的产生的拉应力能起到一定的抵消作用，也可以适当的减小水泥稳定碎石基层的Mises应力，起到一定的保护基层的作用，钢管层的存在对减小道路结构的竖向位移也有积极的作用。

（2）仅改变钢管的直径对控温除雪沥青路面的弯沉以及面层和基层的力学性能的影响不大。钢管间距的变化对面层的影响不大，对基层的影响基本可以忽略，对于各个层位的拉应力而言，钢管间距的改变对其造成的影响也不大，钢管的间距布设宜大不宜小。

（3）钢管的埋深对减小路面的弯沉值的贡献不大，对于保温层，其所受的Mises应力和层底拉应力却是随着钢管埋深而增加的，且增加的幅度很大。因此，钢管层位不宜设置得过于深，以避免保温层承受较大的应力。