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沙漠地区水泥砼路面温度梯度数学模型与仿真分析

第27卷 第2期

2007年3月

中 国 沙 漠

Vol.27 No.2Mar.2007

文章编号:1000 694X(2007)02 0229 05

沙漠地区水泥砼路面温度梯度

数学模型与仿真分析

宋存牛,王选仓,魏俊波

1

2

1

(1.长安大学理学院,陕西西安710064;2.长安大学公路学院,陕西西安710064)

摘 要:为探讨沙漠地区水泥混凝土路面温度梯度分布,提供最大温度梯度设计参数,根据气象学和传热学原理建立了层状路面结构体温度场数学模型,采用解析理论和Newton Naphson迭代法推导出完全依赖于气候条件下非线性边界条件路面温度场计算方法。用该方法模拟了位于内蒙古锡林浩特沙漠地区试验路温度,温度最大误差不超过2 ,计算结果和实测值基本符合。在此基础上,研究了水泥混凝土路面温度梯度分布规律及其影响因素,结果表明:路面温度梯度沿深度非线性分布,板内温度梯度变化明显。最大温度梯度随面层导热系数和面板厚度增大而减小,导热系数和面板厚度每增加1kcal!m-1!h-1! 关键词:道路工程;温度梯度;数学模型;沙漠地区中图分类号:U414.18

文献标识码:A

-1

和1cm,最大温度梯度分别减小约0 2~0 3 !

cm-1和0 025~0 052 !cm-1。沙漠地区最大温度梯度设计值推荐为1 01~1 09 !cm-1。

水泥混凝土路面暴露在自然环境中,承受着周期性太阳辐射和气温作用,面板内沿深度方向温度梯度产生的温度应力会引起板面翘曲变形,如果变形受阻,会导致板面断裂、板边挤碎等破坏。沙漠地区自然环境恶劣,夏天温度特高

[1-2]

流分布连续,则n层路面结构热传导控制方程为:

T1 21

= 1 0 z h1 z

Ti 2i

= i z

nn

n= #hi z #hi

2i=1i=1

式中:Ti、 i、hi为第i层材料的温度、导温系数和厚度,i=1,2, ,n。1.2 层间接触条件

层间接触面温度和热流分布连续,层间温度满足热学第四类边界条件:

ii Ti

z=

z=

i

,这种破坏尤其

i-1i=1

严重。随着我国公路建设向西部转移,沙漠地区过去修建的二、三级公路已经不能满足西部发展需要,修建高等级沙漠公路是未来发展趋势。

为探讨沙漠地区水泥混凝土路面温度梯度变化规律,提供路面最大温度梯度设计参数,本文通过对内蒙古锡林浩特沙漠地区修建的试验路实测温度数据和环境因素分析,结合前人研究[3-6],建立了层状路面结构温度梯度数学模型和计算方法。利用该方法能够根据气象资料和材料热物参数方便、准确地确定出路面温度梯度分布,根据沙区气候变化极端情况,可以预测设计年限内路面温度梯度的极端情况,从而指导路面设计。

#h

n-1

i

z

i=1

#h

n

i

i

(1)

2

i=1

#

i

h

i+1=

i

i+1

i=1

z=

i=1

#

i

h

i

(2)

1 沙区路面瞬态热传导模型

1.1 控制方程

根据实际情况视路面结构为半无限连续介质下条带形层状体系,各层材料同性、均匀,层间温度和热

#i=Ti+1

i=1

h

z=

#

i

h

i

式中: i为导热系数。1.3 下边界条件

路表受自然环境影响温度日波动较大,但在路面较深处温度日波动非常小,因此第n层温度场的

收稿日期:2005 10 28;改回日期:2006 03 15

基金项目:西部交通建设科技项目(2001 318 772 05);长安大学科技发展基金项目(0305 1001)

作者简介:宋存牛(1968 ),男(汉族),陕西富平人,副教授,在职博士研究生,主要从事路面结构热应力分析。

.

第1页

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