低溫重載作用下瀝青路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

文/于千 楊旭姣 趙歡

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅猛發(fā)展，我國(guó)的公路網(wǎng)越來(lái)越致密，車輛速度提高，貨車載重量增大，超載現(xiàn)象嚴(yán)重，尤其是針對(duì)吉林等冬季寒冷地區(qū)，瀝青混凝土路面氣溫最低可至零下十幾度到三十幾度，且白天和夜晚溫差大，所以在低溫-重載作用下瀝青混凝土路面易發(fā)生病害。本文即通過(guò)ABAQUS軟件模擬低溫-重載作用下瀝青路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化，指出其中的規(guī)律，為低溫環(huán)境下高速公路路面設(shè)計(jì)提供理論支持，為促進(jìn)我國(guó)東北、西北等地公路交通基礎(chǔ)設(shè)施的健康發(fā)展提供參考。

0.引言

交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院近幾年研究表明：山西省作為煤炭產(chǎn)地，公路運(yùn)輸超載、超限現(xiàn)象極為普遍，運(yùn)煤車輛紛紛超載[1]。據(jù)調(diào)查，內(nèi)蒙古110國(guó)道六軸貨車，雙軸軸載高達(dá)300kN，三聯(lián)軸軸載高達(dá)520kN[2]。如此多的超載現(xiàn)象對(duì)瀝青混凝土路面設(shè)計(jì)使用功能提出了更高的要求。尤其是針對(duì)東北、西北等易發(fā)生凍融循環(huán)地區(qū)，對(duì)路面的性能要求更高，隨著車速的增高和車輛載重的增加，這就使得傳統(tǒng)的靜態(tài)設(shè)計(jì)方法[3]不能充分真實(shí)地反映路面的實(shí)際受力狀況，更無(wú)法對(duì)高速重載車輛作用下的路面響應(yīng)進(jìn)行合理的分析。綜上，本文針對(duì)瀝青混凝土路面在低溫-重載作用下的應(yīng)力響應(yīng)進(jìn)行分析，旨在為冬季寒冷地區(qū)高速公路路面設(shè)計(jì)理論參考，為預(yù)防和治理低溫環(huán)境下瀝青路面早期破壞提供一定的理論依據(jù)。

1.有限元模型基本理論

1.1 瀝青路面溫度場(chǎng)

1.2 三維動(dòng)態(tài)有限元方程

根據(jù)彈性動(dòng)力學(xué)變分原理[5]，彈性系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)有限元方程為：[M]{δ¨ }+[C]{δ˙}+[K]{δ}={F（t）}

式中：[M]、[C]、[K]——質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣；

{δ¨ }、{δ˙}、{δ}——加速度、速度、位移向量；

F（t）——?jiǎng)雍奢d。

2.重載交通下瀝青路面受力分析

2.1 瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)材料確定

為了定性地分析各參數(shù)對(duì)重載交通下瀝青路面應(yīng)力的影響[6]，本文以琿烏高速為例進(jìn)行簡(jiǎn)單的模型建立，經(jīng)調(diào)查可知琿烏高速主線和匝道路面結(jié)構(gòu)，如下圖1所示：

圖1 琿烏高速路面結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)規(guī)范建議模型內(nèi)的基本參數(shù)如下表1所示：

表1 路面結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)

以上數(shù)據(jù)為例，建立三維瀝青路面有限元模型，為使所建模型更加合理，模型尺寸設(shè)為8m×6m×5m，路面結(jié)構(gòu)在以上基礎(chǔ)上加入土基。

2.2 重載交通貨車輪胎荷載確定

為更好了解重載公路輪胎接地壓強(qiáng)分布情況，確定荷載作用模式，研究表明，采用重載公路標(biāo)準(zhǔn)軸載為P0=140kN，輪胎接地壓強(qiáng)p0=1.10MPa，荷載圓直徑為d=21.13cm，兩輪中心距為1.5d[7]。為簡(jiǎn)化模型，移動(dòng)荷載只在道路中間行駛，簡(jiǎn)化后的荷載作用面積為矩形 結(jié)合上文路面材料，利用ABAQUS軟件可得瀝青路面模型如下圖2所示：

圖2 重載交通下瀝青路面模型

3.瀝青路面溫度場(chǎng)模擬

3.1 路面結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)

還是以琿烏高速為例，經(jīng)調(diào)查，各種材料的熱特性參數(shù)及路面結(jié)構(gòu)取值[8]如下表2所示：

表2 各種材料的熱特性參數(shù)及路面結(jié)構(gòu)取值

3.2 溫度場(chǎng)模型建立

采用ABAQUS有限元軟件，利用以上數(shù)據(jù)模擬高寒地區(qū)瀝青路面在降溫過(guò)程中路面溫度場(chǎng)的影響因素及變化規(guī)律[9]。溫度場(chǎng)模型如下圖3所示：

4.低溫-重載耦合作用下瀝青路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)

4.1 各結(jié)構(gòu)層壓應(yīng)力橫向變化分析

圖5為瀝青層壓應(yīng)力橫向變化趨勢(shì)圖。由圖可知，上面層壓應(yīng)力在輪載作用邊緣存在奇異性[10]（B點(diǎn)左側(cè)為1.02MPa，右側(cè)為0.51MPa）；中面層和下面層在荷載作用中心取得最大值，中面層最大值為0.87MPa，下面層最大值為0.83MPa。

圖5 瀝青路面壓應(yīng)力橫向變化趨勢(shì)圖

圖6 瀝青路面剪應(yīng)力橫向變化趨勢(shì)圖

4.2 各結(jié)構(gòu)層剪應(yīng)力橫向變化分析

由圖可知，在低溫-重載作用下，中面層剪應(yīng)力最大，上面層其次，下面層最??；中面層和上面層剪應(yīng)力最大處位于荷載作用中心，最大值分別為0.16MPa和0.07MPa；下面層在荷載外邊緣處剪應(yīng)力最大，最大值為0.03MPa。

5.結(jié)論

本文針對(duì)低溫-重載作用下瀝青路面結(jié)構(gòu)，以琿烏高速為例，考慮低溫條件與重載條件耦合作用，研究低溫-重載作用下瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)，主要結(jié)論如下：（1）上面層壓應(yīng)力會(huì)在輪載作用邊緣存在奇異性，中面層和下面層在荷載作用中心取得最大值，因此在低溫-重載環(huán)境下瀝青混凝土路面設(shè)計(jì)時(shí)要著重考慮行車道中心路面設(shè)計(jì)要求。（2）在低溫-重載作用下，瀝青路面在剪應(yīng)力作用下易發(fā)生車轍、推移等，其中中面層剪應(yīng)力最大，上面層其次，所以在路面抗車轍設(shè)計(jì)時(shí)不僅要考慮上面層，中面層設(shè)計(jì)材料也要針對(duì)低溫環(huán)境進(jìn)行合理選擇。（3）低溫-重載耦合作用下瀝青混凝土路面橫向剪應(yīng)力更大，更易引起路面破壞，因此，在瀝青混凝土路面設(shè)計(jì)中考慮溫度和重載的耦合作用更為安全。C

引用出處

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