趙桂香 韓霄鵬

摘要：輪胎的胎壓不同，接地形狀也不同，而且隨著胎壓的變化，接地壓力也有較大的變化。為了分析胎壓變化對瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響，采用三維有限元模型Ansys對瀝青路面路表彎沉與基層層底彎拉應(yīng)力進(jìn)行分析，并與Bisar3.0結(jié)果進(jìn)行比對。結(jié)果表明胎壓變化會顯著影響路面結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：瀝青路面；力學(xué)響應(yīng)；三維有限元模型；胎壓

瀝青路面設(shè)計規(guī)范采用雙圓垂直均布荷載BZZ-100（胎壓為0.7Mpa）為計算荷載。但是隨著重型貨車的增多，輪胎的胎壓也越來越大，若還是按照規(guī)范的0.7Mpa進(jìn)行瀝青路面結(jié)構(gòu)厚度的設(shè)計及結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的驗算，會有較大的出入[1-3]。為了更真實的接近路面實況，分析胎壓變化對瀝青路面結(jié)構(gòu)受力的影響，利用Ansys分析瀝青路面結(jié)構(gòu)在不同的胎壓形式下輪隙彎沉與基層層底彎拉應(yīng)力的變化，并與Bisar3.0計算結(jié)果進(jìn)行了對比分析。

1 計算參數(shù)的選取

1.1 輪胎接地面積與形狀

隨著胎壓的增大或減小，輪胎的接地面積是有變化的，但是變化量并不會太明顯[4]，而且也缺少相應(yīng)的試驗數(shù)據(jù)。因此，可以不考慮接觸面積的減少，輪胎的接地形狀擬為矩形荷載，不計及接地面積的變化。

1.2 輪胎的接地壓力

輪胎作用于路面結(jié)構(gòu)的接地應(yīng)力分布在不同負(fù)荷、不同胎壓時是各不相同的。輪胎在額定荷載或正常胎壓的作用下，作用面內(nèi)的垂直壓力在胎面的寬度及長度方向變化不太明顯，兩方向都近似均勻分布[5]。為了分析在不同的胎壓作用下瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)，從而了解胎壓的不同對路面結(jié)構(gòu)的影響究竟有何區(qū)別。因此，依據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)資料的試驗和分析數(shù)據(jù)，本文將車輛荷載對路面結(jié)構(gòu)的作用力分布形式假定為近似均勻分布。

2.路面結(jié)構(gòu)及計算模型

2.1 計算用路面結(jié)構(gòu)

計算用路面結(jié)構(gòu)采用6層彈性層狀體系，路面結(jié)構(gòu)形式為18cm瀝青混凝土面層+20cm水泥穩(wěn)定碎石基層+27cm二灰底基層+土基。

2.2 有限元計算模型

利用三維有限元模型ANSYS分析不同胎壓作用對瀝青路面結(jié)構(gòu)表面彎沉及層底彎拉應(yīng)力的影響，模型尺寸取為6m×6m×6m，其中x軸為橫向坐標(biāo)（路面橫向），y軸為豎向坐標(biāo)（深度方向），z軸為縱向（行車方向）。荷載作用面積為188.8mm×188.8mm，并將荷載作用處的網(wǎng)格局部細(xì)化，遠(yuǎn)離荷載的位置網(wǎng)格逐漸變粗。模型的約束條件為：模型的底部位移全部約束，左右兩個與z軸平行的面無x方向的位移，前后兩個與y軸平行的面無y方向的位移，結(jié)構(gòu)層間完全連續(xù)。其計算模型如下圖所示：

3計算結(jié)果及分析

3.1路面彎沉

圖1為輪隙中心處彎沉值的變化圖。隨著胎壓的增大，接地面積逐漸減小，相應(yīng)地單位面積上的載荷逐漸增大，對路表彎沉的影響就越大。從圖中可以看出，輪隙彎沉值呈現(xiàn)線性增大的趨勢，當(dāng)胎壓由0.7Mpa增大到1.2Mpa時，最大彎沉值增加了約70%。

Bisar計算的輪隙彎沉較Ansys計算的彎沉值約大一倍，這種現(xiàn)象可能與荷載作用形狀的不同有關(guān)。Bisar程序加載采用的是雙圓垂直均布荷載，而Ansys程序則采用更接近于輪胎接地形狀的矩形，這也說明了我國瀝青路面設(shè)計規(guī)范采用雙圓垂直均布荷載計算出的表面彎沉較為保守。

3.2 基層層底彎拉應(yīng)力

一般認(rèn)為，基層層底彎拉應(yīng)力是路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞破壞的主要原因，拉應(yīng)力也是產(chǎn)生各種裂縫的主要原因。圖2為基層層底彎拉應(yīng)力隨胎壓的變化圖。從圖中可以看出， 當(dāng)胎壓由0.7Mpa變化到1.2Mpa時，基層層底彎拉應(yīng)力分別由0.012Mpa、0.022Mpa達(dá)到了0.017Mpa、0.038Mpa，分別增長了41.67%、72.73%這表明胎壓的變化會顯著地影響基層的應(yīng)力分布狀態(tài)。當(dāng)層底彎拉應(yīng)力超過材料的極限彎拉應(yīng)力時，就會引起基層開裂。

4.結(jié)論

（1）隨著胎壓增大，輪隙彎沉值線性增大，當(dāng)胎壓由0.7Mpa增大到1.2Mpa時，最大彎沉值增加了約70%。這說明瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載采用0.7Mpa偏危險。

（2）當(dāng)胎壓由0.7Mpa變化到1.2Mpa時，基層層底彎拉應(yīng)力分別由0.012Mpa、0.022Mpa增長至0.017Mpa、0.038Mpa，增長率分別為41.67%、72.73%，這表明胎壓的變化會顯著影響基層的應(yīng)力分布狀態(tài)。當(dāng)層底彎拉應(yīng)力超過材料的極限彎拉應(yīng)力時，就會引起基層開裂。

參考文獻(xiàn)

[1] 胡小弟，孫立軍. 瀝青路面結(jié)構(gòu)在非均布荷載作用下的三維有限元分析[J]. 長安大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2003， （6）： 1167-1170.

[2] 黃慶泓，季天劍. 非均布荷載作用下瀝青路面的力學(xué)響應(yīng)研究[D]. 南京：南京航空航天大學(xué)， 2008.

[3] 謝水友，鄭傳超. 輪胎接觸壓力對瀝青路面結(jié)構(gòu)的影響[J]. 公路， 2004， 1（24）：12-16.

[4] 胡小弟，孫立軍.不同車型非均布輪載作用力對瀝青路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響的三維有限元分析[J].公路交通科技，2003.

[5] 胡小弟. 輪胎接地壓力分布實測及瀝青路面力學(xué)響應(yīng)分析[D]. 上海：同濟(jì)大學(xué)，2003.