王　震

（河南高速公路發(fā)展有限責(zé)任公司商丘分公司，河南　商丘　476000）

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重載條件下瀝青路面結(jié)構(gòu)敏感性分析

王震

（河南高速公路發(fā)展有限責(zé)任公司商丘分公司，河南商丘476000）

摘要：借助于有限元法來(lái)構(gòu)建重載作用下瀝青路面的動(dòng)態(tài)響應(yīng)模型，并對(duì)軸重、軸載速度、路面結(jié)構(gòu)等參數(shù)進(jìn)行分析，探討瀝青路面的敏感性。結(jié)果顯示，在動(dòng)態(tài)重載作用下，隨著軸重的增加，瀝青路面結(jié)構(gòu)敏感性線性增強(qiáng)；而對(duì)于路面結(jié)構(gòu)隨軸載速度的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)；而對(duì)于路表彎沉、底層拉應(yīng)力、頂面壓應(yīng)力變化特別顯著。

關(guān)鍵詞：瀝青路面；重載條件；路面結(jié)構(gòu)

在本研究中，結(jié)合車(chē)輛重載輪胎接地壓力、接地面積的變化，構(gòu)建基于Ansys三維有限元模型，以實(shí)現(xiàn)對(duì)重載條件下瀝青路面結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的計(jì)算，來(lái)分析各結(jié)構(gòu)參數(shù)的敏感性特征。

1　瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析基礎(chǔ)概念

對(duì)于車(chē)輛在路面行駛狀態(tài)的分析，符合典型的快速移動(dòng)荷載計(jì)算條件，在本研究中采用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析方法，來(lái)進(jìn)行重載條件下瀝青路面結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)敏感性分析。其基本的運(yùn)動(dòng)方程表示為：Mü(t)+Cu(t)+Ku(t)=Q(t)，其中對(duì)于式中的ü(t)、u(t)表示系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)加速度及速度向量，M、C、K、Q表示質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣及節(jié)點(diǎn)荷載向量。在本系統(tǒng)中，對(duì)于阻尼模型采用Rayleigh方式，在求解方法上直接采用積分法，當(dāng)時(shí)間步長(zhǎng)Δt與車(chē)輛荷載向量及運(yùn)動(dòng)體系各周期的長(zhǎng)短有關(guān)時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)計(jì)算統(tǒng)一性和保持精度性，時(shí)間步長(zhǎng)采用基本周期的1/50。

2　基于有限元的瀝青路面結(jié)構(gòu)三維模型

2.1荷載參數(shù)

從結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)來(lái)看，對(duì)于瀝青路面結(jié)構(gòu)在荷載條件下的狀態(tài)主要有2個(gè)屬性，靜態(tài)屬性和動(dòng)態(tài)屬性。靜態(tài)屬性主要表示為荷載的大小，而動(dòng)態(tài)屬性主要表現(xiàn)在荷載與瀝青路面接觸時(shí)的作用時(shí)間與動(dòng)態(tài)值變化。由于車(chē)輛在載重條件下行駛，在對(duì)輪胎與路面接觸分析中，采用高強(qiáng)高壓輪胎，以軸載的增加、接地面積、接地壓力等參數(shù)為變化，其靜態(tài)荷載計(jì)算公式表示為：A=0.008P+152，p=P/A=P/πδ2。式中，A表示輪胎接地面積，δ表示接地面積當(dāng)量圓半徑，P表示輪胎荷載大學(xué)，p表示接地壓力。結(jié)合研究資料和文獻(xiàn)來(lái)看，對(duì)于車(chē)載模式下輪胎與路面之間并非均勻的圓形結(jié)構(gòu)，而是接近于矩形的荷載狀態(tài)，隨著荷載的增加，其矩形特點(diǎn)更加顯著。為此，本研究在對(duì)單軸雙輪胎接地模式分析中，采用矩形方式，寬度選取22cm。另外，在動(dòng)態(tài)測(cè)試中，對(duì)于輪胎與路面之間的半波正弦荷載作用力，通?？梢詫⒅?jiǎn)化為若干個(gè)半波正弦荷載的線性組合。由此，在計(jì)算輪胎對(duì)路面的動(dòng)力學(xué)分析中，多采用正弦分布荷載模式來(lái)進(jìn)行模擬，其公式表示為：P（t）=Pmaxsin（πt/ T）。式中，Pmax表示單個(gè)輪胎的荷載峰值，T表示荷載作用周期。對(duì)于荷載周期T的計(jì)算，可以利用T=12δ/v。式中，δ表示接地面積當(dāng)量圓半徑，v表示車(chē)速大小［1］。

2.2瀝青路面結(jié)構(gòu)層及材料分析

在對(duì)本研究進(jìn)行試驗(yàn)分析時(shí)，以半剛性瀝青砂礫墊層路面為參考，結(jié)合荷載狀態(tài)下沖擊載荷持續(xù)時(shí)間較短，對(duì)于各路面結(jié)構(gòu)層可以簡(jiǎn)化為連續(xù)性基層，各層材料以瀝青混合料為試驗(yàn)基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)動(dòng)態(tài)模量、靜態(tài)模量的分析，來(lái)探討路面結(jié)構(gòu)在荷載作用下的動(dòng)力學(xué)參數(shù)變化。在本研究中為簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)層及材料限定為4種類(lèi)型。最底層路基泊松比0.40，密度值為1 800kg/m3；級(jí)配碎石層泊松比0.35，密度值為1 900kg/m3；二灰碎石基層泊松比0.25，密度值為2 100kg/m3；瀝青混凝土面層泊松比0.35，密度2 200kg/m3。

2.3有限元模型分析

結(jié)合Ansys軟件，對(duì)瀝青路面進(jìn)行有限元分析。選取8個(gè)結(jié)點(diǎn)，在對(duì)各邊界效應(yīng)進(jìn)行簡(jiǎn)化中，為了保證動(dòng)力響應(yīng)的收斂性分析，確定以10m×10m的尺寸為最優(yōu)平面，對(duì)路基選取10cm厚度，來(lái)進(jìn)行荷載和結(jié)構(gòu)模型的對(duì)比分析。

3　計(jì)算及結(jié)果分析

3.1車(chē)輛軸重對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的敏感性分析

通過(guò)對(duì)車(chē)輛軸重相關(guān)資料的調(diào)查和檢索，考慮到軸重自身對(duì)路面結(jié)構(gòu)性能的影響，在軸重選擇上確定100～260kN，40kN表示為一荷載級(jí)位，可通過(guò)荷載級(jí)位來(lái)反映軸重是否超載。通過(guò)有限元分析軟件測(cè)試來(lái)看，軸重的變化能夠?qū)β访娼Y(jié)構(gòu)帶來(lái)較大影響。當(dāng)軸重變大時(shí)，路表彎沉、路基底層最大拉應(yīng)力、表層剪應(yīng)力及壓變應(yīng)力都呈現(xiàn)線性顯著增加；由于瀝青路面結(jié)構(gòu)自身的層間關(guān)系，在對(duì)路表進(jìn)行彎沉測(cè)試中，隨著各結(jié)構(gòu)層的變化而反映出不同路面的整體承載力變化。當(dāng)軸重勻速行駛時(shí)，以80km/h為例，軸重荷載從100kN增加到180kN，其超載率達(dá)到80%，此時(shí)獲得的路面最大彎沉增加了87%；而當(dāng)車(chē)速繼續(xù)增加，軸重荷載有100kN提升到220kN，超限達(dá)到120%，此時(shí)路面獲得的最大彎沉增加了170%?？梢?jiàn)，對(duì)于荷載條件下，當(dāng)車(chē)速提升時(shí)，軸重荷載對(duì)路面結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)破壞會(huì)顯著增加，導(dǎo)致瀝青路面結(jié)構(gòu)的變化，嚴(yán)重時(shí)對(duì)路面壽命帶來(lái)更大影響。

通過(guò)對(duì)軸重荷載在260kN條件下的檢測(cè)分析，路面基層拉應(yīng)力為0.15MPa，與當(dāng)前公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范中的劈裂強(qiáng)度變化范圍0.25～0.35MPa相符合，說(shuō)明在260kN荷載下，其最大拉應(yīng)力仍在允許范圍內(nèi)。同時(shí)，在重載作用下，對(duì)于瀝青層最大剪應(yīng)力的變化為0.26MPa，與瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范中的重交瀝青混合料抗剪強(qiáng)度0.27～0.5MPa相比仍在范圍內(nèi)，而對(duì)于改性瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度則更高，所以一次性剪切破壞對(duì)半剛性瀝青路面的剪應(yīng)力影響較小。另外，隨著軸載荷載的增加，對(duì)于路面壓應(yīng)力的變化迅速增加，以80km/h時(shí)速為例，當(dāng)軸載從100kN增加至260kN時(shí)，路面壓應(yīng)力變化由127.3×10-6增加至334.4×10-6，其對(duì)路面頂部豎向壓應(yīng)力的破壞更加嚴(yán)重，從而將誘發(fā)瀝青路面損傷。

3.2車(chē)速對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)的敏感性分析

車(chē)速變化對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)的影響是直接的，本研究將車(chē)速控制在0～120km/h，并以20km/h為速度等級(jí)，來(lái)反映不同車(chē)速變化在路面結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)中的敏感性。從測(cè)試結(jié)果看，對(duì)于車(chē)速的變化，與路面結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)程度存在一定影響；但其影響程度與軸重變化相比并非顯著。當(dāng)車(chē)速增加時(shí)，對(duì)路面基層、路面表層及路基頂層壓應(yīng)力也會(huì)隨之增加；當(dāng)車(chē)速為60km/h時(shí)，以軸重220kN為例，當(dāng)車(chē)速?gòu)?增加至60km/h時(shí)，路面彎沉變化增加約12%，而基層最大拉應(yīng)力增加8%，表面剪應(yīng)力增加10%，頂層壓應(yīng)力增加5%；當(dāng)車(chē)速增加至120km/h時(shí)，各動(dòng)力響應(yīng)峰值變化卻小于靜載時(shí)響應(yīng)值。同時(shí)，由于重載條件下，重車(chē)對(duì)路面結(jié)構(gòu)的響應(yīng)峰值更大，對(duì)路面結(jié)構(gòu)的破壞影響也最嚴(yán)重。

3.3路面結(jié)構(gòu)各材料參數(shù)對(duì)路面荷載敏感性分析

本研究對(duì)于不同瀝青路面結(jié)構(gòu)層的分析，以正交試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行考查，設(shè)定各因素的獨(dú)立性，從而獲得動(dòng)力響應(yīng)峰值變化。選用軸重為220kN，車(chē)速為60km/h，采用方差分析法來(lái)進(jìn)行正交試驗(yàn)，得出路面結(jié)構(gòu)各面層厚度對(duì)路表剪應(yīng)力、豎向壓應(yīng)力具有顯著影響；對(duì)基底拉應(yīng)力、路面壓應(yīng)力具有顯著影響；路基模量對(duì)路面彎沉、路基壓應(yīng)力、基底拉應(yīng)力影響特別顯著；面層模量、基層模量?jī)H對(duì)豎向壓應(yīng)力影響顯著，而對(duì)于其他動(dòng)力響應(yīng)指標(biāo)影響不顯著。另外，對(duì)于位級(jí)的考查分析，主要從面層厚度、路基模量來(lái)考查瀝青路面動(dòng)力響應(yīng)變化。當(dāng)面層厚度增加，路面剪應(yīng)力、豎向壓應(yīng)力下降顯著?？梢?jiàn)，增加面層厚度，有助于緩解重載模式下對(duì)瀝青路面的變形、剪切、轍槽的破壞。

參考文獻(xiàn)：

［1］魏連雨，李新明，馬士賓，等.面層模量對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)受力特性影響分析［J］.路基工程，2014（3）：41-45.

中圖分類(lèi)號(hào)：U416.217

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-5168（2016）02-0098-02

收稿日期：2016-01-25

作者簡(jiǎn)介：王震（1983-），男，本科，研究方向：交通系列道路與橋梁。

Sensitivity Analysis of Asphalt Pavement Structure under Heavy Load Condition

Wang Zhen
（Henan Expressway Development Co.Ltd.to Shangqiu Branch，Shangqiu Henan 476000）

Abstract:By means of the finite element method to build the overloading asphalt roadbed model,dynamic response under the action of axle load and axial load parameters such as speed,pavement structure were analyzed,and discussed the sensitivity of the asphalt.The results showed that under the action of dynamic overload,with the increase of axle load,the asphalt pavement structure sensitivity showed linear enhance?ment;For pavement structure with the increase of axial load speed increase before lowering trend;Table for road deflection,tensile stress in the bottom and top surface compressive stress changed particularly sig?nificant.

Keywords:asphalt pavement；heavy load condition；pavement structure