SHRP气候分区方法的修正及应用

时间：2024-09-17 百科知识版权反馈

【摘要】：本文以SHRP气候分区方法为基础，结合全国气象数据，力求找到可行的且适合我国国情、符合PG分级要求的气候分区方法并绘制相应的气候分区图，以期为沥青面层设计及养护提供参考。

张竞雄，梁增洁，鲍梦捷

（长安大学公路学院，陕西西安 710064）

作者简介：张竞雄（1991．4－），男，长安大学公路学院硕士研究生，道路与铁道工程专业。

梁增洁（1991．7－），女，长安大学公路学院硕士研究生，道路与铁道工程专业。

鲍梦捷（1993．10－），女，长安大学公路学院硕士研究生，交通运输工程专业。

摘要：本文以SHRP气候分区方法为基础，结合国内气象资料，并参比国内沥青路面温度场的相关研究成果，提出若干SHRP分区方法在应用于国内沥青路面时应当做出的修正。同时，根据修正后的方法和国内地面国际交换站气候资料日值数据集（V3．0）中189个站点持续30年的气象观测数据，绘制了相应于修正后的SHRP气候分区方法的分区图，并与标准SHRP方法得到的分区图进行了对比，认为在选择高／低温设计值时，可以分别在计算得到的标准值的基础上适当增加一档。

关键词：道路工程；温度分区；沥青路面；沥青混合料

Abstract：Based on the SHRP climate division method，combining the domestic meteorological data，and referring the relevant research results of domestic asphalt pavement temperature field，this paper proposes several ideas in the application of SHRP partition method to domestic asphalt pavement．At the same time，according to the modified method and the meteorological data of 189stations in the last 30years from the domestic ground and international exchange station climatological data set （V3．0），it draws the domestic partition graph corresponding to the modified SHRP climate zoning method，and compares it with the partition map corresponding to the standard SHRP method．It suggests that in the choice of high／low temperature design values，designers can obtain them by increasing the calculated standard value appropriately．

Key words：Road engineering；Climatic zoning；Asphalt pavement；Superpave

0 引言

高速公路建设已进入建养并重阶段，社会对于道路的要求从以通行能力为主逐渐转移到以服务能力为主。作为我国高等级公路路面的主要材料之一，沥青混合料的性能在道路的服务能力和社会效益中占有一定权重。在提高沥青混合料路用性能的道路上，国内相关科研技术人员大多借鉴国内外先进经验。与国内现行的以沥青三大指标分级的方法相比，美国的PG分级方法直接联系沥青质量与路用性能，具有理论上的优势。由于PG分级标准直接建立在气候分区方法之上，建立合适我国国情的气候分区方法无疑是将理论优势转化为实践优势的过程。许多国内同行做出了大量的前期工作［1－5］，但是大多数都着眼于一地的气候分区情况，小至一市，大不过一省，虽然成果显著，却略显狭隘。本文以SHRP气候分区方法为基础，结合全国气象数据，力求找到可行的且适合我国国情、符合PG分级要求的气候分区方法并绘制相应的气候分区图，以期为沥青面层设计及养护提供参考。

1 气候分区方法简介

1．1 SHRP气候分区方法简介

1987年美国国会的“地面运输和城市再布置援助法案（STURAA）”正式通过并启动了美国公路战略研究计划（SHRP），该计划以5年产品为导向，其重点在于沥青、路面性能、混凝土与结构和公路运输4个领域的研究计划。Superpave沥青混合料是美国战略公路研究计划（SHRP）的研究成果之一，其创新之处在于摒弃了以针入度为标号的沥青命名方法，提出PG分级系统。在PG分级方法中，沥青以高温性能为依据分为4个高温区间，低温性能为依据分为7个低温区间，共计21个等级。沥青以高温性能为区分依据划分为PG52、PG58、PG64、PG704个等级；以设计低温为区分依据，从－10℃～－46℃，每6℃一档划分区间。其中，PG58－16的意思是该型号沥青适宜在沥青路面设计最高温度58℃，最低温度－16℃的气候条件下工作。不同地区路面最高／最低温度计算公式是根据美国和加拿大6828个气象站多年气象数据拟合并辅以相应数学模型分析得到的。

1．2 路面温度取值与计算方法

路面设计高温以路表面以下20mm处所可能承受的最高温度为准，该位置也是普遍认为的车辙易发的层位［3］。路面设计低温以道路表面温度为准。

道路表面设计高温公式［6］如下：

Tsuk f－Tair

＝0．00618 lat2＋0．2289lat＋24．4 　（1）

式中：Tsurf——道路表面温度，单位：℃；

Tair——环境温度，单位：℃；

lat——纬度，单位：（°）。

道路表面以下20mm处温度计算公式［6］如下：

T20mm＝（Tsurf＋17．78）×0．9545－17．78 （2）

式中：Tamm——道路表面以下amm的温度，单位：℃。

对上式进行变换，可以得到：

T20mm＝Tair0．00618 ＋0．2289lat＋422 ×0．9545（3）

设计低温的取值如下：

Tsurf＝Tair 　（4）

2 SHRP气候分区方法应用中存在的若干问题

在SHRP分区方法中，有一些基本假设或研究方法不符合我国实际情况，在应用该方法进行气候分区时，有必要将这些不合实际的问题提出来，并尽可能的提出合理的修正方案。

2．1 设计温度的取值

2．1．1 设计高温的取值

在SHRP分区方法中，路表温度来源于气温、纬度与地表温度的拟合。在我国的气象站日常观测要求中［7］，实际上是包含地表温度观测的，因此没有必要特地由气温和纬度计算地表温度。同时，即使是在缺乏地温观测数据记录的地区， SHRP中的公式也未必适宜。

首先验证公式（1）与国内情况的相符程度。

图2－1是陕西省西安市2005年7月最高地温与计算最高地温曲线图。实线代表实测最高地温，虚线代表根据最高气温计算得到的最高地温，由曲线可以看出两组数据虽然有一定的相关性，但是在一些情况下还是有一定差距。

图2－1 西安地区2005年7月最高地温与计算最高地温曲线图

由图2－1可以看出，即使所计算的最高地温与最高地温有所差距，但是在地温较高的时候两者几乎相等，因此该公式还是比较可靠的。但是其可靠性有待考证。图2－2是黑龙江省呼玛县2004年7月最高地温与计算最高地温曲线图，从图中可以看出呼玛县的计算最高地温多数时间低于实测最高地温，尤其关键的是两者的差值在实测最高地温达到峰值的数日也达到了峰值。公式（1）实际上降低了该地的设计高温。

图2－2 黑龙江省呼玛县2004年7月最高地温与计算最高地温曲线图

在不考虑曲线图的情况下，仅根据拟合关系式的差距也可认为公式（1）在我国不是普遍适用的。对公式（1）进一步分析，可以轻松看出尽管公式（1）有两个变量纬度（lat）和气温（Tair），不过当分析的对象确定以后，纬度这个变量实际上已经不再变化，变化的量只有气温。公式（1）计算得到的地温（Tsurf）实际上是由气温（Tair）决定的，而且两者之间所呈的关系还是等比例的线性关系。虽然该公式来源于数据的拟合，但是仍不能得出“气温（Tair）与地温（Tsurf）线性相关”这一结论。

其次，对公式（2）进行分析。该公式实际上是假设路表以下20mm处温度（T20mm）总是低于路表温度（Tsurf）。这个假定与我国环境条件并不相符。事实上在国内科研工作人员所做的大量相关工作中，几乎无一支持此假设的案例。

实际测量温度方面，以康海贵、郑元勋等人所作研究为例［1］，该研究的结果得出T20mm的与Tsurf的拟合关系为：

T20mm＝1．1612Tsurf＋2．5649（5）

公式（5）实际上否定了上述假设。

设计应用方面，赵延庆、凌晨等在进行沪宁高速公路的相关工作中［2］，选择沥青设计高温时采取了“跳级”的处理方法——即结合路面结构处于各温度下的时间和该时段的交通量，适当的提高了设计高温，说明SHRP推荐的公式至少在应用于沪宁高速公路时需要做出修正的。

公式（3）是由公式（1）和公式（2）联立得到的，其分析结果与上文类似，不再赘述。这里列举根据公式（3）所得各地历年7d计算最高气温和历年7d实测最高气温的比较，如图2－3所示。两组数据的相关系数为0．5253，极差达到了16．81℃（站点55591），因此SHRP设计高温的取值方法与我国的实际情况有一定距离。

图2－3 各地历年7d计算最高地温和历年7d实测最高地温比较图

2．1．2 设计低温的取值

中国年极端最低地温低于年极端最低气温，而美国的气候状况是路面温度在寒冷季节几乎总是高于气温。因此，美国确定沥青路面设计温度的方法并不完全适用于中国［3］。在选择的数据集中，极端最低地温平均比极端最低气温低7℃左右，相差最大的有58457站点，其极端最低地温比极端最低气温低19．4℃，只有4个站点的极端最低地温高于极端最低气温。因此采取Tsurf＝Tair确定设计低温就显得不大恰当。本文推荐选择实测极端最低地温作为设计低温。

中国幅员辽阔，各地气象条件千差万别，使用统一的公式由气温计算地温的可能性存在（美国同样幅员辽阔自然条件多样），但是准确程度未必能令人满意。本文认为在缺少地温测量数据的时候，选择利用气温数据进行拟合在一定程度上是可行的。但是考虑到在我国现有的条件下，地温测量已经成为一项常规工作。因此在有条件的时候，设计高温应当选择地表下20mm处温度的实测值，在缺乏条件的时候，可以考虑以路表温度（Tsurf）代替路表下20mm处的温度（T20mm）。同时在地温测量历史较短，缺少必要的历史地温数据的地区，可以考虑参照自然环境相似地区的地温数据进行估算。

自然环境相似地区并不总是与行政区划相同。中国、美国、日本等国家，纬度方向跨越多个纬度带，海拔方面有高山海滨的区别，其自然环境变化多样，以统一的公式预测地温和气温之间关系的可能性较小。合适某一地区的公式到了另外一个地方就未必合适，而SHRP公式（3）实际上与一些地区实测数据吻合程度是相当高的。比如四川成都、南充，河南信阳等地，在这些地方该公式较为适用。

2．2 气象观测中路表温度与沥青路面表面温度的差异

在气象观测中，地表温度是以裸露地表为观测对象的。沥青路面的性质与土壤相差甚远，其温度含义与气象观测中的路表温度不同。在刘凯所做的研究工作中［4］，采集了山东滨州地区某公路路面结构2006年10月15日的各层温度数值并以曲线形式表达，从图2－4中可以看到，其地当日沥青路面表面温度应当在15～35℃之间。

图2－4 山东滨州地区某公路路面结构2006年10月15日的各层温度统计图

同日，本文采用的数据集采集到的该地区地表温度在13．0～39．3℃之间。可见气象观测中路表温度与沥青路面表面温度在一定条件下差异较大。

2．3 重现期问题

在SHRP分区方法中，计算得到的结果实际上是有98％保证率的高低温设计值。98％保证率相当于重现期为50年，对于我国沥青路面15年设计使用年限而言，50年的重现期较长。过长的重现期提高了对沥青材料的要求，增加了成本。

考虑到气象观测中路表温度与沥青路面表面温度的相互关系存在多种可能性，选择较长的重现期实则是一种偏安全的设计方法。本文不针对这两点提出修正措施，如何在设计中考虑这两种影响尚需继续研究。

3 修正的SHRP分区方法及气候分区

针对上述问题，参考其他文献，本文提出对SHRP分区方法的修正方法。并尝试利用公开的气象资料数据集绘制该修正方法下的适用于我国的气候分区图，并将结果与标准方法所得的结果进行对比。

3．1 修正方法概述

路面设计高温以路表面以下20mm处温度为准，路面设计低温以道路表面温度为准。对于有观测数据的地区，设计高温以实测地表20mm以下温度为准。无观测数据的地区，道路表面以下20mm处温度以路表温度为准。无路表温度观测数据的地区，设计高温以相似地区数据进行插值。即：

T设计高温＝T20mm＋Tsurf实测（6）

式中：Tsurf实测——道路表面实测温度，单位：℃；

T设计高温——路面设计高温，单位：℃。