牛　芊

(河北省高速公路石黃管理處　石家莊　050000)

移動荷載作用下瀝青路面車轍響應分析

牛芊

(河北省高速公路石黃管理處石家莊050000)

摘要車輛在路面行駛過程中，會對路面結構產(chǎn)生水平向推力，從而加劇路面結構層剪切破壞，而路面結構層剪應力過大是引起路面車轍的主要因素。文中建立在移動荷載下路面結構有限元模型，應用正交因素分析法研究車速、軸載、HMA厚度、HMA模量對路面車轍的影響。結果表明，HMA厚度和軸載大小是影響車轍深度的主要因素，其大小與車轍深度的關系可以用二次拋物線描述。

關鍵詞移動荷載瀝青路面車轍深度有限元

我國規(guī)范[1]中路面結構計算是假設路面結構承受靜止車輛荷載，然而路面結構實際上大多數(shù)時間承受的卻是以一定速度行駛的移動車輛荷載。哈爾濱工業(yè)大學的董澤蛟[2]等人通過建立路面結構在非均勻分布的移動荷載作用下有限元模型，分析了路面結構力學響應的空間分布以及時程變化情況。中南大學的梁洪濤[3]研究了移動荷載作用下瀝青路面結構時程響應，借助有限元動力方程求解方法，根據(jù)彈性層狀體系假設，建立了移動荷載作用下瀝青路面三維有限元模型。河海大學土木與交通學院的陳俊、東南大學交通學院的黃曉明等[4]借助離散元理論對路面結構進行了移動荷載作用下多尺度的分析，建立了瀝青路面結構典型離散元結構模型，驗證了以離散元為基礎，移動荷載作用下瀝青路面結構內(nèi)部應力、應變分布比靜力荷載作用下更接近實際。由此可見，在路面結構仿真分析時，采用移動荷載比靜力荷載更能反映路面實際受力情況。

本文借助ANSYS建立路面結構響應模型，分析在移動荷載作用下路面結構參數(shù)以及軸載對車轍的影響。

1移動荷載作用下車轍計算模型

借鑒美國AASHTO提出的 M-E PDG車轍計算模型[5]，HMA的彈性應變計算公式

(1)

車轍的計算公式：

(2)

式中：RD為熱拌瀝青路面面層車轍深度；hac為HMA厚度。

本文建立路面結構有限元模型時，對瀝青路面結構模型做出如下假設：①路面結構為彈性層狀體系；②路面結構層間接觸連續(xù)；③路面材料各向同性。采用Solid45單元類型，路面結構模型尺寸見圖1。

圖1　移動荷載下的路面結構模型

2多因素正交試驗分析

路面結構屬于多種材料復合而成的結構體，產(chǎn)生的車轍嚴重程度既受到材料屬性[6]等內(nèi)部因素影響，又要考慮行車荷載等外部因素作用。本文選取HMA厚度、HMA模量、車速、軸載這4種典型因素作為分析因子進行正交分析，選取正交試驗分析見表1。

表1　路面結構多因素正交試驗分析

對表1中計算數(shù)據(jù)進行顯著性分析，采用F檢驗方法，取檢驗水平為0.1時，查方差表得到F0.9(3,3)= 5.39，取檢驗水平為0.05時，查方差表得到F0.95(3,3)=9.28。計算各個因素均方差，得到檢驗方差分析表,見表2。

表2　多因素方差分析表

由表2可見，HMA厚度對路面車轍的影響最為顯著，其次是軸載大小，HMA模量和行車速度對車轍影響相對較小。

3影響車轍深度的主要因素分析

根據(jù)前文方差分析結果看出，HMA厚度和軸載大小是瀝青路面產(chǎn)生車轍的主要影響因素，二者進行建模分析，得到回歸曲線，見圖2、圖3。

圖2　HMA厚度對車轍深度的回歸曲線

圖3　軸載大小對車轍深度的回歸曲線

由圖2可見，隨著HMA層總厚度的增加，路面車轍深度逐漸減小，路面結構HMA總厚度在9~12 cm時，減小速率最快，之后緩慢減小，得到的回歸曲線方程為二次拋物線型；圖3中軸載大小對車轍影響與之相反，隨著軸載的增加，車轍深度逐漸變大，當軸載水平大于120 kN時，車轍深度增長速率明顯變快，其變化曲線也可以用二次拋物線擬合。

4結論

(1) 車速、軸載、HMA厚度、HMA模量對車轍深度的影響程度依次是：HMA厚度>軸載大小>車速>HMA模量。

(2) HMA總厚度在9~12 cm范圍內(nèi)對車轍影響程度最大，采用過薄的瀝青混凝土面層不宜控制車轍深度。

(3) 軸載大于120 kN時，車轍深度增長速率明顯加快，說明大貨車占的比例對車轍有著至關重要的影響。

參考文獻

[1]JTG D50-2006公路瀝青路面設計規(guī)范[S].北京：人民交通出版社,2006.

[2]董澤蛟,譚憶秋,歐進萍.三向非均布移動荷載作用下瀝青路面動力響應分析[J].土木工程學報,2013(6):122-130.

[3]梁洪濤.移動荷載作用下層狀瀝青路面結構時程響應分析[D].中南大學,2013.

[4]陳俊，黃曉明，汪林兵，等.移動荷載作用下柔性路面多尺度結構的響應[J].東南大學學報：英文版，2013(4)：425-430.

[5]Applied Research Associate，Inc. Guide for mechanistic-empirical design[R].NCHRP 1-137A Final Report，2004.

[6]張宇.抗車轍瀝青路面的設計及應用研究[J].交通科技,2014(1):72-75.

收稿日期：2015-08-15

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.06.026