第 1 章 绪论
1.1 研究背景及意义
近几十年来，我国经济实力日益强大，道路建设有了极大的发展，特别是步入 21 世纪以来，我国高等级公路里程数开始迅速增长，并且越来越注重公路建设的质量与服役寿命，而在大多数的高等级公路建设中，沥青路面因其优越的路用性能以及便于养护的特点被广泛用于道路建设当中。
沥青路面的广泛应用也伴随着多种多样的病害产生，其中沥青路面最为常见的病害就是裂缝，而且我国地形与气候复杂，公路交通量不断增加，使得沥青路面产生的裂缝及其他病害越来越严重，其中温度裂缝是一种对沥青路面性能影响较大且易普遍出现的裂缝形式之一[1]，在外界气温、辐射、风速等环境因素影响下，沥青胶结料的力学特性和路用性能都会发生明显的变化，其状态也会因温度的变化而改变。
温度裂缝是我国各地区乃至全世界范围内都会出现的重要病害之一，通常呈现出规则的、横向的以及分布规律的状态。温度裂缝的分类可根据温度变化的程度和时间分为两类：一种是由温度短时间内骤然变低所引起的裂缝，普遍为横向裂缝，这主要是环境温度的骤降，使得沥青材料收缩，产生的温度应力在超过沥青路面的抗拉强度时出现裂缝，因而出现的裂纹多为横向裂纹；另一种则是由温度长时间反复循环作用所产生的疲劳裂缝，由于温差较大产生的温度应力未达到开裂标准，但长期温度循环下，累积的温度应力较高，使得沥青路面产生温度疲劳裂缝[2-3]。
温度骤降产生的横向裂缝在北方地区的冬季出现较多，这是由于北方地区的温度普遍较低，沥青混合料的粘弹性趋近于弹性，性质变得脆且易折，温度骤降会使得沥青混合料产生的温度应力来不及松弛，加剧了温度应力的增长，从而产生裂缝。沥青路面温度疲劳裂缝在各季均有发生，各个地区也均有分布，裂缝的形状无明显特征，但随着温度周期性变化，易出现在平均气温不是很低的地区，这是由于沥青混合料在温度较高时，应力松弛程度较好，温度应力增长缓慢，累积的温度应力较小，不宜开裂。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
国外学者对于沥青路面温度的研究始于 1925 年，通过实测的温度数据统计分析，得到了其分布规律。三十年后，Barber[6]通过研究温度周期性变化，得到了近似于路面模型的导热方程，求得了路面的最高温度。Wahhab[7]研究了典型地区路面结构对于温度的敏感性，收集了该地区大气温度、路表温度以及太阳辐射等资料，综合分析了温度季节性和日变化规律，得出各个典型地区的温度变化极值范围，以及沥青路面模量随温度变化的规律。
Chen 等人研究了受太阳辐射、气温、风等气候因素影响的路面温度场，综述了现有的路面温度预测模型，采用实测的太阳辐射和随时间变化的风速对路面温度场进行了预测[8]。Hermansson 等通过研究路面温度随太阳辐射、空气温度和风速等影响下的波动规律，建立了不同的沥青路面模型，计算路面各层逐小时的疲劳损伤，并预测了沥青路面的疲劳寿命[9]。Qin 等提出了路面表面温度预测的理论模型，并对实验数据进行了验证。研究了反照率对路面温度的影响，路面日温度幅值和最大值与路面表面太阳吸收量和日太阳辐射量呈线性增加[10]。
Timm 等人[15-16]在之后基于著名的温度收缩应力公式进行了具体研究，研究发现，沥青路面的温度应力达到或超过其极限抗拉强度时，路面就会产生横向的裂缝，由于是温度对沥青路面产生的裂缝，又叫做温缩裂缝；之后又对不同深度下的沥青路面进行了研究，得到了温度应力随深度的变化规律，以及沥青混合料劲度模量随沥青路面深度的变化规律。
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第 2 章 典型地区降温分布时空特征
2.1 寒潮定义寒潮
通常来说是一种覆盖范围较广，多在秋冬季发生的灾害性天气变化，也称寒流。寒潮的出现一般都是纬度高所处区域在其他因素影响下向纬度低所处区域移动的冷空气活动，一般情况下在运动过程中会造成各区域的天气变化，呈现出不同的气象特点，如强风或者强雨雪天气，而当这种天气变化剧烈且达到一定的指标时就被称为寒潮。
《寒潮等级》(GB/T21987—2017)给出寒潮标准：以日最低气温和日最低气温降温幅度为指标，将寒潮等级分为寒潮、强寒潮和特强寒潮[59]。当某测站 24h降温幅度达到或超过 8℃(或者 48h 降温幅度达到或超过 10℃，72h 降温幅度达到或超过 12℃)，同时日最低气温降到 4℃或以下，记为一次寒潮；其中当某测站 24h 降温幅度达到或超过 10 ℃(或者 48 h 降温幅度达到或超过 12℃，72h 降温幅度达到或超过 14℃)，同时日最低气温降到 2℃或以下，达到强寒潮的标准记为一次强寒潮；其中当某测站 24h 降温幅度达到或超过 12℃(或者 48h 降温幅度达到或超过 14℃，72h 降温幅度达到或超过 16℃，)，同时日最低气温降到 0℃或以下，达到特强寒潮的标准记为一次特强寒潮。不同等级寒潮过程标准如表 2-1 所示。
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2.2 典型地区城市寒潮分布
本文选取了 18 个典型地区城市站点的气象数据为代表用以计算我国典型地区的寒潮频率，总结其分布特征。为研究我国各个典型地区的气温环境变化以及各个典型地区在 2012-2019 年的寒潮发生次数，本文采用中国气象数据网（http://data.cma.cn/）所提供的 2012-2019 年的气象资料，通过 18 个典型地区城市站点的日最低气温数据对寒潮分布情况进行分析。本文利用 Microsoftoffice 中的 Excel 来处理 18 个站点的日最低气温数据，分别根据其 24h 降温幅度、48h 降温幅度和 72h 降温幅度设置筛选条件，如果满足寒潮发生条件则标记为“1”，不满足寒潮发生条件则标记为“0”；连续时间内出现连续多个“1”时，说明连续几天的持续降温过程均满足寒潮条件，即表示为寒潮持续的过程，应总共记为一次寒潮，计入累加结果中，最后通过累加计数得到各个典型地区 18 个城市 2012-2019 年寒潮的发生次数。
气温数据筛选步骤以典型地区沈阳为例，当沈阳站气温条件满足 24h 降温幅度达到或超过8℃且低于10℃(或者48h降温幅度达到或超过10℃且低于12℃，72h 降温幅度达到或超过 12℃且低于 14℃)，同时日最低气温降到 4℃或以下，通过 Excel 表格的函数公式在该日之后标记为“1”，否则标记为“0”，累计“1”的总和即为沈阳站 2012-2019 年满足寒潮发生条件的次数，但此时寒潮发生次数累计结果中包含着一次寒潮活动连续多天持续降温的情况，所以其寒潮计算次数按照寒潮开始至寒潮结束这一冷空气活动完成为标准，通过筛检之后得到沈阳站2012-2019 年寒潮的发生频次。
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第 3 章 基于有限元模拟冻断试验的温度应力..........................21
3.1 粘弹性理论.......................21
3.2 沥青混合料粘弹性参数的确定..........................21
第 4 章 基于典型地区温度变化的沥青混合料温度应力..................35
4.1 不同温度条件下温度应力变化规律.......................35
4.2 各地区寒潮降温对温度应力的影响....................37
第 4 章 基于典型地区温度变化的沥青混合料温度应力
4.1 不同温度条件下温度应力变化规律
沥青路面服役过程中会受到温度变化影响，本节通过改变降温速率以及初始温度模拟沥青混合料冻断过程，得到不同温度条件下的温度应力随温度的变化规律。
通过有限元模拟低温冻断试验得到温度变化对非周期性温缩应力的影响规律，基于 3.3 节建立的低温冻断试验有限元模型，研究初始温度为 20℃时，不同降温速率（-10℃/h、-20℃/h、-30℃/h、-40℃/h、-60℃/h、-80℃/h）下的温度应力，不同降温速率下的温度应力如图 4-1 所示。
由图 4-1 可以看出，当起始温度为 20℃时，降温速率为-10℃/h、-20℃/h、-30℃/h、-40℃/h、-60℃/h 和-80℃/h 的温度应力随温度的降低而增大，而且从某一温度下不同降温速率的温度应力可以看出，降温速率越大，降温过程中产生的温度应力也越大，这说明降温速率对温度应力具有一定影响；随着温度降低，不同降温速率下累积的温度应力差距也随之增大，说明降温的幅度对温度应力也有很大影响。
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结论
本文通过全国 18 个城市 2012-2019 年的气象数据以及寒潮等级的定义，得到了各个地区城市的寒潮分布，根据我国的地理位置分布将 18 个城市站点划分为华北、华中、华东、东北、西北和其他六个典型地区。根据各个地区寒潮发生时的实际降温情况依托有限元数值模拟沥青混合料试件的冻断试验，对沥青混合料在降温过程中所累积的温度应力进行分析，特取东北地区的温度变化以及各个月份寒潮分布规律研究了具体月份不同沥青混合料所累积的温度应力变化，最后通过各个地区最强寒潮的温度变化来研究各个地区温度应力变化规律，根据沥青混合料的温度疲劳方程预测各个典型地区在寒潮作用下的温度疲劳破坏时间。主要结论如下：
（1）各个典型地区寒潮分布由北到南呈下降趋势，主要分布月份在冬季（11月、12 月和 1 月）、秋冬交替的 10 月以及冬春交替的 2 月，其中东北地区分布最多，降温幅度最大，华北地区次之，其他地区寒潮分布最少且降温幅度最小。
（2）模拟冻断试验结果表明：沥青混合料在寒潮发生过程中所累积的温度应力随着温度的降低而增加，而且在降温到一定温度下时，沥青混合料中所累积的温度应力迅速增长，呈现出弹性性能，这是由于沥青混合料中的沥青在降温中逐渐变硬，粘弹性性能逐渐接近弹性性能，因此温度应力增长速率较快。
（3）各个地区在其最强寒潮降温作用下的最大温度应力多数出现在冬季 12 月份，时间均分布在凌晨 2 点至早上 8 点；无论是大气温度变化还是路表温度变化，东北地区的降温幅度与最低温度均小于其它五个地区，其各个月份的温度应力分布中，12 月、1 月和 2 月份所累积的温度应力较高，其它月份所累积的温度应力较小。
（4）华北、西北和东北地区的沥青混合料温度疲劳寿命较短，分别为 6.9 年、7.2 年和 7.8 年，华东地区的沥青混合料温度疲劳寿命最长，达到了 12 年之久。
参考文献（略）