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文|史作咏者

编辑|史作咏者

前言

在城市化进程迅猛推进的过程中常常伴随着一些不可避免的生态环境问题，如水环境问题、城市热岛效应等。城市热岛效应即城市区域的温度显著高于外围乡村区域温度的现象，是诸多因素相互交织共同造成的，会增加城市的能源消耗，不利于可持续发展。

沥青路面是城市下垫面中的主要组成形式，其受到外界辐射后自身温度会升高，并会不断向周围环境释放热量，是造成城市热岛效应的“元凶”之一。沥青路面的温度对沥青路面向周围环境释放不良热效应起着关键作用，因此对沥青路面温度场及其影响因素进行研究，可为路面结构选材设计提我爱线报网每日持续更新海量各大内部创业教程供参考，进而有助于改善沥青路面温度场、缓解城市热岛效应。

目前已有许多学者对沥青路面温度场开展了研究：李彦伟等通过模拟的方法研究了导热系数对沥青路面温度场分布的影响，结果发现路面上面层导热系数对沥青路面温度场分布的影响较大；

延西利等利用实测数据计算分析了夏季高温和冬季低温环境下沥青路面的热量交换，用热量变化描述了沥青路面的温度场；李萍等基于多因素回归分析构建了适用于甘肃渭源地区的冬季沥青路面温度场预估模型；

王家主利用有限元仿真模拟计算了倒装型沥青路面结构内部的温度场，得到了其内部各层温度的时空分布；康晓革等利用建立的冬季低温环境下的路面结构模型对陕西农村地区沥青混凝土路面的温度场和应力场进行了模我爱线报网每日持续更新海量各大内部创业教程拟分析，并研究了各结构层厚度和细小裂缝对应力场的影响。

以上研究缺乏关于材料热物理参数对沥青路面表层温度和下部各结构层温度的影响分析。

基于此，本研究在考虑沥青路面与周围环境热交换过程的基础上，首先利用ADINA有限元分析软件构建了沥青路面温度场评估模型，然后通过数值模拟的方法分析了导热系数、表面传热系数和路面反射率这3个材料热物理参数对沥青路面表层温度和下部各结构层温度的影响。

本研究可为道路工程中沥青路面的选材设计提供参考，通过选择合适的路面材料，可帮助改善沥青路面的温度场，减弱沥青路面向周围环境释放的不良热效应，进而有助于缓解城市热岛效应。

1基于有限元法构建沥青路面温度场评估模型

1.1沥青路面我爱线报网每日持续更新海量各大内部创业教程与周围环境的热交换过程

沥青路面的温度变化主要是周围环境和沥青路面的热交换（图1）引起的，这是一个复杂的过程。由图1可知，沥青路面与周围环境的热交换过程主要有热传导、热对流和热辐射这3种传热方式，其中热对流和热辐射是路表与周围环境换热的主要方式，路面内部则以热传导为主。

1.1.1太阳辐射

某一时段内的太阳辐射量可通过模拟计算得到，目前主流的模拟方法是吴赣昌和严作人提出的两种方法，虽然这两种方法的精确度较高，但计算过程较复杂。此外有学者指出，可用仪器通过实际测量得到某一时段内的太阳辐射量或者从当地气象站直接获取相关数据。本研究在计算太阳辐射量时采用的是通过实际测量数据拟合得到的回归公式。

1.1.2大我爱线报网每日持续更新海量各大内部创业教程气长波辐射（大气逆辐射）

根据斯特藩-玻尔兹曼定理对大气长波辐射进行计算，计算时需要考虑云层的遮挡，云层系数不同，其取值也会不同，具体取值见表1；Tr为辐射体的温度，此处为大气温度（即环境温度），°C。

1.1.3路面下部结构温度

沥青路面下部结构温度与外部环境作用到沥青路面的辐射强度有关，随沥青路面下部结构深度的增加，外部环境作用到沥青路面下部结构的辐射强度逐渐降低，且表现出一定的滞后效应，也就是说外界环境对沥青路面下部结构温度的影响程度随沥青路面下部结构深度的增加逐渐减小。

在参考相关研究的基础上，本研究将沥青路面下部结构的恒温边界取为底基层以下80cm处，并将其以下的结构均看作绝热边界条件。

1.我爱线报网每日持续更新海量各大内部创业教程2模型构建及模型参数的确定

1.2.1模型的构建及边界条件的确定

首先基于高速路路面的典型结构设计形式，利用ADINA有限元软件构建了沥青路面温度场评估模型，然后根据沥青路面与周围环境的热交换过程，确定了沥青路面和外部环境之间、沥青路面和下部结构之间的各个边界条件，具体如图2所示，在路表施加太阳辐射、对流换热和大气长波辐射换热边界条件，在底基层以下80cm处施加恒定温度边界条件。

其中有几点需要说明：基于对称性，仅取高速路双向车道的半幅路面进行研究；基于软件节点数要求，将沥青路面上中下面层合并为一层，即图2中的面层。

1.2.2模型中各结构层热学参数的取值

构建的沥青路面温度场评估模型中采用的各结构层热我爱线报网每日持续更新海量各大内部创业教程学参数的取值见表2。

1.3沥青路面温度场评估模拟过程中的要点

根据构建的沥青路面温度场评估模型，采用ADINA有限元软件中的ADINA-Thermal瞬态热分析模块对沥青路面温度场进行评估模拟，模拟过程中具体要点如下：

1）首先在西安市夏季典型天气条件下对大气温度进行测量并记录，然后利用辐射检测仪测得每个小时内的太阳辐射热流密度，并根据每个整点的实测大气温度计算得出大气长波辐射热流密度，最后可计算出进入沥青路面的总热流密度，进入沥青路面的总热流密度是太阳辐射热流密度与大气长波辐射热流密度之和，如表3所示。

2）沥青路面与周围环境的传热方式主要包括沥青路面内部结构的热传导、路面和空气的对流换热以及路面我爱线报网每日持续更新海量各大内部创业教程和空气之间的辐射换热，其中辐射换热和对流换热的环境温度均设定为大气温度，需要指出的是：太阳辐射值和大气温度都是随时间变化的，因此需要采用时间函数来控制其变化规律。

3）采用时间步来控制加载过程，每个时间步为6min，整个加载过程持续时间为24h。

4）为确保模拟的准确性，开始时先设置初始环境温度为0°C并进行模拟计算，当计算模拟值与实测值接近时，将计算模拟值作为初始温度条件，之后再在模型中施加各个边界条件。

1.4模型验证

为了验证所构建的沥青路面温度场评估模型的精确度，首先通过走访相关交通运输部门，找到了与所构建的沥青路面温度场评估模型类似的高速路面，即西安市区附近的某高速路面；然后在晴朗无云层遮挡我爱线报网每日持续更新海量各大内部创业教程天气下，利用测温设备随机测量该高速路面3d的实际路表温度，每隔2h测量一次并记录数据；最后将实际测量结果与通过所构建的沥青路面温度场评估模型模拟得到的路表温度进行比较，结果如图3所示。

由图3可知，实际测得的路表温度和依据模型模拟得到的路表温度存在一定的偏差，但总体来说差别较小，也就是说利用所建立的沥青路面温度场评估模型模拟得到的数据与实测数据的吻合度好，这说明该模型具有较高的精确度。

2材料热物理参数对沥青路面温度场的影响

2.1导热系数对沥青路面各结构层温度场的影响

利用所建立的沥青路面温度场评估模型对用导热系数分别为0.2、0.8、1.0、1.2、1.5、1.8、2.0W/（m·K）的材料修铺的我爱线报网每日持续更新海量各大内部创业教程沥青路面各结构层的日温度变化情况进行了模拟，模拟计算从00：00开始，以1h为时间间隔、全天24h为时间段，模拟结果如图4所示。

由图4可知：导热系数对沥青路面各结构层日温度变化的影响规律有所不同，且导热系数对沥青路面各结构层白天温度变化的影响较大；对于沥青路面表层而言，导热系数越小，其日最高温度越大，这是因为在外界辐射相同的情况下，导热系数不同的沥青路面吸收的热量是相同的，但是导热系数小的沥青路面向下传播其白天吸收热量的能力较弱，从而使得白天其表面温度较高；

相同的导热系数下，沥青路面各结构层的日最高温度随着各结构层深度的增加而减小，日最低温度随着各结构层深度的增加先增大后减小；

不同导热系数的沥我爱线报网每日持续更新海量各大内部创业教程青路面表层的日最低温度均发生在05：00—07：00之间、日最高温度均发生在13：00—15：00之间，面层的日最低温度均发生在06：00—08：00之间、日最高温度均发生在15：00—17：00之间.

基层的日最低温度均发生在07：00—09：00之间、日最高温度均发生在18：00—20：00之间，底基层的日最低温度均发生在11：00—13：00之间、日最高温度均发生在20：00—22：00之间，土基的日最低温度均发生在13：00—15：00之间、日最高温度均发生在22：00—24：00之间，这说明各结构层的温度会随其深度的增加出现变化相位滞后的现象；

相比之下，不同导热系数的沥青路面表层和面层我爱线报网每日持续更新海量各大内部创业教程的日温度变化幅度和日温度峰值均比基层、底基层和土基大得多，这说明沥青路面的温度变化主要发生在沥青路面的表层和面层（即沥青层），而基层、底基层和土基的日温度变化很小。

综上可知，修铺沥青路面时所用材料的导热系数越小，沥青路面表层的温度就越高，但对于整个路面结构而言，导热系数越小，整个沥青路面的温度越低。因此，为使整个沥青路面温度降低，铺筑沥青路面时应使用导热系数较小的材料。

2.2表面传热系数对沥青路面各结构层温度场的影响

利用所建立的沥青路面温度场评估模型对用表面传热系数分别为5、20、50、100W/（m2·K）的材料修铺的沥青路面各结构层的日温度变化情况进行了模拟，同样从00：00开始模拟计算，我爱线报网每日持续更新海量各大内部创业教程以1h为时间间隔、全天24h为时间段，模拟结果如图5所示。

由图5可知：沥青路面各结构层日温度变化均随着表面传热系数的增加而减小，且表面传热系数对沥青路面白天温度变化的影响较大；相同的表面传热系数下，沥青路面各结构层的日温度差会随着各结构层深度的增加而减小；

不同表面传热系数的沥青路面表层的日最低温度均发生在05：00—07：00之间、日最高温度均发生在13：00—15：00之间，面层的日最低温度均发生在06：00—08：00之间、日最高温度均发生在15：00—17：00之间。

基层的日最低温度均发生在07：00—09：00之间、日最高温度均发生在16：00—18：00之间，底基层的日最低温度均发生我爱线报网每日持续更新海量各大内部创业教程在10：00—12：00之间、日最高温度均发生在19：00—21：00之间，土基的日最低温度均发生在11：00—13：00之间、日最高温度均发生在21：00—23：00之间，这说明各结构层的温度会随其深度的增加出现变化相位滞后的现象；

同样，不同表面传热系数的沥青路面表层和面层的日温度变化幅度和日温度峰值均比基层、底基层和土基大很多，这说明沥青路面的温度变化主要发生在沥青路面的表层和面层（即沥青层），而基层、底基层和土基的日温度变化很小。

综上可知，修铺沥青路面时所用材料的表面传热系数越小，沥青路面的温度越高。因此，为使整个沥青路面温度降低，铺筑沥青路面时应使用表面传热系数较大的材料。

2.3路面反我爱线报网每日持续更新海量各大内部创业教程射率对沥青路面各结构层温度场的影响

利用所建立的沥青路面温度场评估模型对用路面反射率分别为0.1、0.3、0.5、0.7的材料修铺的沥青路面各结构层的日温度变化情况进行了模拟，模拟计算从00：00开始，以1h为时间间隔、全天24h为时间段，模拟结果如图6所示。

由图6可知：沥青路面各结构层日温度变化均随着路面反射率的增大而减小，且路面反射率对沥青路面白天温度变化的影响较大；相同的路面反射率下，沥青路面各结构层的日温度差会随着各结构层深度的增加而减小；

在14：00左右时，路面反射率每增加0.2，沥青路面表层的温度就降低5°C左右，由此可见，增大沥青路面的反射率是降低沥青路面表层温度的有效手段；

不同路我爱线报网每日持续更新海量各大内部创业教程面反射率的沥青路面表层的日最低温度均发生在05：00—07：00之间、日最高温度均发生在13：00—15：00之间，面层的日最低温度均发生在06：00—08：00之间、日最高温度均发生在15：00—17：00之间。

基层的日最低温度均发生在07：00—09：00之间、日最高温度均发生在17：00—19：00之间，底基层的日最低温度均发生在10：00—12：00之间、日最高温度均发生在19：00—21：00之间，土基的日最低温度均发生在13：00—15：00之间、日最高温度均发生在21：00—23：00之间，这说明各结构层的温度会随其深度的增加出现变化相位滞后的现象；

同样，不同路面反射率的沥青路面我爱线报网每日持续更新海量各大内部创业教程表层和面层的日温度变化幅度和日温度峰值均比基层、底基层和土基大很多，这说明沥青路面的温度变化主要发生在沥青路面表层和面层（也就是沥青层），而基层、底基层和土基的日温度变化很小。

综上可知，修铺沥青路面时所用材料的路面反射率越小，沥青路面的温度越高。因此，为使整个沥青路面温度降低，铺筑沥青路面时应使用路面反射率较大的材料。

3结语

基于有限元法，在考虑沥青路面与周围环境热交换过程的基础上，采用ADINA有限元软件建立了沥青路面温度场评估模型，同时利用该模型研究了导热系数、表面传热系数和路面反射率这3个材料热物理参数对沥青路面各结构层温度场的影响，得到的主要结论如下：

1）环境因素不变时，沥青路面温度与铺我爱线报网每日持续更新海量各大内部创业教程筑沥青路面时所用材料的导热系数密切相关，沥青路面表层的温度会随导热系数的减小而升高，沥青路面面层、基层、底基层和土基的温度则会随导热系数的减小而降低，因此对于整个沥青路面结构而言，导热系数越小，整个沥青路面的温度就越低。

2）环境因素不变时，沥青路面各结构层温度均会随表面传热系数的增大而降低。

3）与导热系数和表面传热系数相比，路面反射率对沥青路面温度场的影响程度最大，环境因素不变时，沥青路面各结构层的温度均会随路面反射率的增大而降低。

4）沥青路面的温度变化主要发生在沥青路面表层和面层（即沥青层），而基层、底基层和土基的温度变化很小；相同条件下，沥青路面各结构层的日温度差会随着各结构层深度的增加而我爱线报网每日持续更新海量各大内部创业教程减小。