超載作用下冷再生基層瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)分析

趙庭

【摘 要】本文借助有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行了數(shù)值仿真模擬，研究分析了超載作用下冷再生基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)。結(jié)果表明：從標(biāo)準(zhǔn)軸載工況下到超載100%的工況下，冷再生基層表面的最大豎向位移值增長(zhǎng)了1.8倍，動(dòng)應(yīng)力增長(zhǎng)了1.7倍左右；超載作用使路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的變形，使路面的損壞加快，大大縮短了路面的使用壽命，在實(shí)踐中應(yīng)加強(qiáng)運(yùn)營(yíng)管理。

【關(guān)鍵詞】超載；冷再生；有限元數(shù)值模擬；力學(xué)響應(yīng)

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，交通量日益增加，大型車輛軸載成倍提高，車輛超載現(xiàn)象十分嚴(yán)重，對(duì)路面結(jié)構(gòu)造成極其嚴(yán)重的損害。早期修筑的公路有相當(dāng)一部分己經(jīng)進(jìn)入維修期，每年有大量瀝青路面需要翻修。因此，研究超載作用對(duì)再生瀝青路面結(jié)構(gòu)的影響、破壞程度等問(wèn)題，無(wú)論是從理論上還是從實(shí)際需要上都有著十分重要的意義。

本文在借鑒已有研究成果的基礎(chǔ)上，以現(xiàn)行《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》為依據(jù)，借助ANSYS有限元軟件建立實(shí)體模型，采用層狀彈性體系理論[1]對(duì)冷再生基層瀝青路面在不同軸載作用下各結(jié)構(gòu)層的豎向位移、動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)應(yīng)變等方面進(jìn)行了研究。

1 計(jì)算參數(shù)

1.1 重載車輛接地面積及壓強(qiáng)計(jì)算[2]

輪胎與路面接地印跡的確定是路面結(jié)構(gòu)在車輪載荷作用下力學(xué)分析的基礎(chǔ)，我國(guó)現(xiàn)行的瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范中采用圓形均布載荷模式。實(shí)際中，重型車輛的軸載都比較大，因此將輪胎與路面接地印跡簡(jiǎn)化為矩形比圓形更符合實(shí)際。當(dāng)單輪作用時(shí)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將荷載有效地加到各節(jié)點(diǎn)上，把輪胎接地形狀等效成面積為0.8712L×0.6L（L為輪胎接地長(zhǎng)度）的矩形。

輪壓或接地面積可借鑒比利時(shí)輪壓比與軸載比的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系（如式1）確定：

pi/ps=Pi/Ps■（1）

式中：ps——標(biāo)準(zhǔn)輪壓，ps=0.7MPa

Ps——標(biāo)準(zhǔn)軸載，Ps=100kN

pi——計(jì)算輪壓，MPa

Pi——計(jì)算軸載，kN

本文以標(biāo)準(zhǔn)軸載單軸雙輪組100kN為基礎(chǔ)，分別分析軸載為100kN、125kN、150kN、175kN、200kN共5種工況下各結(jié)構(gòu)層的豎向位移、動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)應(yīng)變等力學(xué)響應(yīng)。相關(guān)軸載計(jì)算參數(shù)如表1所示：

表1 軸載計(jì)算參數(shù)

1.2 路面結(jié)構(gòu)形式的選取

瀝青路面屬于非線性的彈-粘-塑性體，但是汽車行駛的瞬時(shí)性作用對(duì)路面產(chǎn)生的粘塑性變形很小[3]。因此，本文將路面各結(jié)構(gòu)層材料假定為均勻、連續(xù)、各向同性的彈性體。路面結(jié)構(gòu)與材料參數(shù)如表2所示。

2 有限元模型的建立

2.1 模型的建立

采用有限元計(jì)算時(shí)，模型必須劃定合適的計(jì)算范圍，既不能太大導(dǎo)致計(jì)算量的增加，又不能太小影響計(jì)算的精度。因此，本文在計(jì)算中將路面橫向（x軸）取為6m，深度方向（y軸）取為0.59m（不包括彈簧單元模擬的土基），行車方向（z軸）按照輪胎接地面積的不同取約8m左右[4]。在行車荷載作用處單元網(wǎng)格加密，而遠(yuǎn)離行車荷載作用處單元網(wǎng)格尺寸逐步加大。模型的邊界條件為對(duì)底層彈簧實(shí)行全約束，對(duì)x軸、z軸方向只約束其法向位移。建立好的模型如圖1所示。

表2 結(jié)構(gòu)組成及計(jì)算參數(shù)

圖1 實(shí)體有限元模型

2.2 用到的單元及加載條件的設(shè)置

模型用到了四種單元，分別是SOLID45單元、COMBIN14單元、SURF154單元、PLANE42單元，SOLID45、PLANE42單元可分別用于建立三維、二維實(shí)體結(jié)構(gòu)模型，COMBIN14單元為彈簧單元，可用于模擬土基，SURF154單元用于面荷載的加載[5]。

模擬車輛的動(dòng)載，選取瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，求解時(shí)采用Full 法。定義計(jì)算運(yùn)行20步，假設(shè)車速為20m/s（72km/h），根據(jù)由車輛接地面積而劃分好的網(wǎng)格的大小，求出施加于一組單元上的輪載持續(xù)時(shí)間，然后輪載向前移動(dòng)一個(gè)單元再持續(xù)一段此時(shí)間。采用不同的接地面積時(shí)，只需改變載荷的持續(xù)時(shí)間和輪壓即可。

3 有限元計(jì)算結(jié)果及分析

圖2 標(biāo)準(zhǔn)軸載下豎直方向位移圖（最后一步）

圖3 標(biāo)準(zhǔn)軸載下各結(jié)構(gòu)層豎直位移時(shí)間歷程曲線

3.1 豎向位移的響應(yīng)分析

只考慮垂直均布荷載。選取的計(jì)算點(diǎn)為荷載所運(yùn)行區(qū)域內(nèi)各結(jié)構(gòu)層的正中間的一系列特殊點(diǎn)，圖中y的值代表從路面結(jié)構(gòu)原路基層的底層（y=0）到選取的特殊點(diǎn)的垂直距離。

在標(biāo)準(zhǔn)軸載工況下，面層、冷再生基層和原路基層的豎向位移時(shí)程曲線變化規(guī)律基本一致，但從上到下各層到達(dá)位移峰值的時(shí)間依次滯后。從標(biāo)準(zhǔn)軸載工況到超載100%的工況下，面層表面的豎向位移是整個(gè)結(jié)構(gòu)層中最大的，其值由0.107mm增長(zhǎng)到了0.188mm，增長(zhǎng)了1.76倍，冷再生基層表面的最大豎向位移值由0.0838mm增長(zhǎng)到了0.151mm，增長(zhǎng)了1.8倍；在超載車輛荷載反復(fù)作用下，過(guò)大的變形會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的彎拉應(yīng)力，很容易造成路面由內(nèi)向外逐步發(fā)展的疲勞開(kāi)裂。

3.2 垂直應(yīng)力的響應(yīng)分析

圖4 標(biāo)準(zhǔn)軸載下各結(jié)構(gòu)層動(dòng)應(yīng)力時(shí)間歷程曲線

在標(biāo)準(zhǔn)軸載工況下，垂直荷載作用下各結(jié)構(gòu)層的動(dòng)應(yīng)力時(shí)間歷程曲線如圖4所示，垂直動(dòng)應(yīng)力主要以壓應(yīng)力為主，行車荷載接近計(jì)算點(diǎn)時(shí)，出現(xiàn)了拉應(yīng)力，這種先拉后壓的情況與傳統(tǒng)的靜力分析有明顯的區(qū)別；最大垂直壓應(yīng)力出現(xiàn)在面層，它的值為0.72MPa，隨著深度的增加垂直壓應(yīng)力逐漸減小，并且減小的幅度很明顯，接近土基時(shí)漸漸趨近于零，也證明了路面結(jié)構(gòu)需要足夠的承載力進(jìn)行應(yīng)力擴(kuò)散[6]。隨車輛軸載的增大，路面各結(jié)構(gòu)層的動(dòng)壓應(yīng)力逐漸增大，面層在超載100%工況下的動(dòng)應(yīng)力是標(biāo)準(zhǔn)軸載工況下的1.6倍左右；冷再生層（y=0.4m至y=0.5m）在超載100%工況下的動(dòng)應(yīng)力是標(biāo)準(zhǔn)軸載工況下的1.7倍左右。