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        基于數(shù)值模擬的瀝青路面車轍分析

        2022-08-25 03:35:00孫彩云
        黑龍江交通科技 2022年7期
        關(guān)鍵詞:車轍面層瀝青路面

        孫彩云

        (新疆交通科學(xué)研究院有限責(zé)任公司,新疆 烏魯木齊 830002)

        1 引 言

        相較于傳統(tǒng)的混凝土路面,瀝青路面具有更優(yōu)的平整性和使用性能,故此在世界各國高速公路建設(shè)中都得到了廣泛的應(yīng)用。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,截至2020年底,我國使用瀝青路面的高速公路通車?yán)锍碳s達(dá)16.10萬km。但與此同時由于受到氣候、交通量、設(shè)計和施工因素的影響,瀝青路面在使用一段時間后也出現(xiàn)了以系列的病害,其中較為突出的就是車轍。一旦瀝青路面出現(xiàn)車轍病害,除了使用質(zhì)量和服役壽命受到嚴(yán)重影響外,汽車行駛的安全性也無法受到保證。隨著大量瀝青路面投人使用,其設(shè)計、養(yǎng)護(hù)和維修工作也面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

        關(guān)于瀝青路面車轍病害的問題,國內(nèi)外諸多學(xué)者開展了大量極具價值的研究工作。周衛(wèi)峰以某高速公路改擴(kuò)建工程為背景,借助Ansys軟件對比分析了兩種不同設(shè)計方案下路面車轍的發(fā)展規(guī)律。研究結(jié)果表明在結(jié)構(gòu)表面往下20 cm左右的范圍是車轍主要產(chǎn)生區(qū)域,且永久的總變形中,車轍變形的占比有的達(dá)到了60%。劉志明等通過調(diào)查測定數(shù)據(jù),研究了車轍和永久損壞這一對高速公路常見的矛盾病害之間的關(guān)系,指出在實(shí)際工程中,對工程質(zhì)量變異性的控制是施工過程控制的基礎(chǔ)。朱德武等設(shè)計了一系列正交試驗(yàn),對影響路面車轍的面層材料的不同參數(shù)進(jìn)行了敏感性模擬,研究結(jié)果指出蠕變模型的參數(shù)是影響車轍深度的最主要因素。針對干線公路交叉口路面車轍易發(fā)生的問題,劉化學(xué)等采用數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合的方法,研究得到了干線公路交叉口車轍易發(fā)區(qū)的空間分布范圍;基于對不同交通量狀況的分析,得到了干線公路交叉口車轍易發(fā)區(qū)長度與交通量二者間的關(guān)系,并給出了相應(yīng)的處置措施。田靜建立了瀝青混合料中面層及全厚典型瀝青路面的有限元模型,得到了瀝青路面車轍形變發(fā)展規(guī)律,并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比,指出Ansys有限元中的蠕變模是可以很好的達(dá)到研究效果的。針對柔性基層瀝青路面車轍變形的研究,童申家等制作了三種不同類型的瀝青混合料,通過試驗(yàn)測定的方法得到了各混合料的蠕變參數(shù)和彈性參數(shù),并基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了車轍非線性數(shù)值模擬,研究成果為瀝青路面養(yǎng)護(hù)、維修時機(jī)的確定提供了一定有價值的參考。王陸平等采用數(shù)值模擬的方法研究了車轍深度與路面厚度和軸載作用次數(shù)之間的變化關(guān)系,并提出了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。此外,劉斌鋒、張久鵬、張俊杰等諸多學(xué)者也開展了相關(guān)研究工作,共同推進(jìn)了對瀝青路面車轍發(fā)生機(jī)理的認(rèn)識和相關(guān)處理措施的提出。

        2 有限元模型

        2.1 建模假設(shè)及路面構(gòu)造

        在采用Abaqus建立分析模型前,先擬定出以下4個假設(shè)作為建模前提:

        (1)各層的材料均均勻連續(xù),面層符合規(guī)定本構(gòu)關(guān)系,其余各層均滿足胡克定律。

        (2)荷載包括與路面垂直的荷載和水平的荷載,其中將垂直荷載看作是動荷載,水平荷載產(chǎn)生的位移則被忽略掉。

        (3)有限元模型的各層之間完全接觸。

        (4)在水平方向,路面的結(jié)構(gòu)層被視為有限長,路基的深度則被視為無限深。

        在建立有限元分析模型時,將路面從三維結(jié)構(gòu)簡化成二維結(jié)構(gòu),模型尺寸的寬度和深度分別取為6 m(向)和3 m(向)。模型分層由上至下分依次為:改性瀝青(SMA-13,厚0.04 m)、改性瀝青(AC-20,厚0.8 m)、瀝青碎石(ATB-25,厚度為0.1 m),水泥碎石(厚度為0.36 m)以及石灰土(厚度為0.2 m),最下層為土基,其厚度2.22 m。

        2.2 材料特性及路面結(jié)構(gòu)

        在建模過程中,瀝青混凝土材料的粘彈性借助Drucker-Prager/Creep蠕變模型來反應(yīng),同時可以通過Drucker-Prager Hardening來實(shí)現(xiàn)材料的塑性硬化;對于基層以及土基等則視作線彈性。公式(1)所示的“時間硬化”冪函數(shù)用來表示瀝青材料的蠕變模型,其中各蠕變參數(shù)如表1所示。

        (1)

        表1 瀝青混合料蠕變參數(shù)

        對于描述瀝青混合料塑性擴(kuò)展的Drucker-Prager準(zhǔn)則,其屈服條件可以表達(dá)為

        (2)

        式中:為應(yīng)力張量第一不變量;和為材料的常數(shù)。

        2.3 移動荷載及模型網(wǎng)格劃分

        對于移動荷載,參考相關(guān)設(shè)計規(guī)范,取輪胎的壓力為0.8 MPa。當(dāng)軸重較小時可用圓形表示輪胎的接地面積,軸重較大則可用矩形表示。另外,后文分析過程中,均一左側(cè)車輪中心的A點(diǎn)為研究對象,在分析過程中,取輪胎的接地面積為0.212 m×0.186 m,取兩軸中心距為0.314 m,軸重約為100×10N。

        另外,利用循環(huán)加載的方式來模擬車輛荷載的重復(fù)作用。則輪載每一次的作用時間為

        =

        (3)

        式中:表示輪載和路面間接觸的縱向長度,m;表示車速,m/s。

        將車輛的形式速度假定為40 km/h,則輪胎沒通過一次路面的時間為0.019 s;假設(shè)2次輪載作用的間歇時間為5 s。

        對于有限元模型來說,當(dāng)網(wǎng)格尺寸較大的時候,計算的結(jié)果不夠精確;而當(dāng)網(wǎng)格的尺寸過小的時候,雖然計算精度是有所提高的,但是在另外一方面計算所耗費(fèi)的時間也是增加的。因此,適宜的網(wǎng)格劃分方式是采用有限元軟件進(jìn)行分析高效、精準(zhǔn)計算的前提條件之一。為了在確保計算精度的前提下,盡量的縮短計算時間,提高計算效率,在建模過程中采用了不均勻的網(wǎng)格劃分方式,即對路面結(jié)構(gòu)的受力部位采用相對較密的網(wǎng)格尺寸,為0.02 m×0.02 m;在其他的地方則采用相對較粗糙的網(wǎng)格尺寸,為0.05 m×0.02 m~0.02 m×0.10 m的網(wǎng)格尺寸。該模型的單元為8節(jié)點(diǎn)的等參數(shù)元。最終建立的有限元模型。

        2.4 邊界條件

        對于有限元模型所采用的邊界條件邊界條件,參考文獻(xiàn)[12],在=0 m和=6.0 m的模型左右兩側(cè),約束其向位移和面外轉(zhuǎn)角;在模型底部=0,約束其3個方向的位移。

        2.5 溫度場

        溫度對瀝青的使用性能有著不可忽略的影響,高溫下車轍變形的幾率增大。因此,對溫度場與路面車轍間變化關(guān)系的準(zhǔn)確掌握有著重要的工程意義。參考相關(guān)工程實(shí)際,選擇具有代表性的25、40、60 ℃為分析工況進(jìn)行后續(xù)研究。進(jìn)行溫度場分析時,可以在INP文件中通過手動調(diào)用的溫度場的命令進(jìn)行。表2所示為面層各材料的溫度參數(shù)。需要說明的是,不同材料的太陽輻射率和路面發(fā)射認(rèn)為相同,分別為0.90和0.81。溫度荷載的施加通過在Abaqus中定義子程序來實(shí)現(xiàn)。不同溫度下材料的溫縮系數(shù)和其他材料參數(shù)可參考文獻(xiàn)。

        表2 面層各材料的溫度參數(shù)

        3 路面結(jié)構(gòu)層變形分析

        3.1 車轍深度分析

        基于上述建立的Abaqus有限元模型,分析循環(huán)輪載作用下路面變形的發(fā)展規(guī)律。車載左側(cè)輪心處的A點(diǎn)作為研究對象,圖1為車轍深度與輪載作用次數(shù)的之間的變化關(guān)系。

        圖1 車轍深度隨輪載作用次數(shù)的變化

        通過對圖1所示變化規(guī)律的分析可知,循環(huán)荷載作用次數(shù)與車轍深度之間的呈現(xiàn)出非均勻的變化關(guān)系,即在1.0×10次之前,車轍深度增加較為緩慢,而之后其深度隨荷載作用次數(shù)的增加而急劇增大,至8.0×10次時,車轍深度達(dá)到5.0 mm左右。文獻(xiàn)指出當(dāng)車轍的深度達(dá)到6 mm時可認(rèn)為該路面已經(jīng)接近破壞,所以可以說該路面的使用壽命約為8.0×10次。

        加載次數(shù)相對較少時,路面出現(xiàn)的車轍深度也是相對較小的。當(dāng)輪載作用在研究位置處時,路面在局部區(qū)域內(nèi)會發(fā)生一定的位移;當(dāng)荷載撤去后,路面的彈性變形會出現(xiàn)反彈,而由于蠕變特性的存在,會殘余一些無法恢復(fù)的變形。隨著輪載作用次數(shù)的增加,殘余的不可恢復(fù)的變形也會積累,造成最終的路面破壞。

        3.2 路面X向車轍變形

        運(yùn)營階段,隨著路面承受輪載作用次數(shù)的逐漸增加,里面的豎向變形(即車轍深度)會越大越大;當(dāng)輪載作用的次數(shù)相對較少時,隆起現(xiàn)象僅僅會出現(xiàn)在輪跡的邊緣位置,而在兩個車輪的中間位置,隆起現(xiàn)象是不明顯的;但輪載作用的次數(shù)增多后,兩個車輪間的隆起也會逐漸變得愈加明顯起來。限于篇幅,圖2僅示意初加載次數(shù)為10次和100次時路面結(jié)果在向的變形情況。

        圖2 加載10次、100次變形對比

        通過對圖2所示變形規(guī)律的分析可以看出,隨著輪載作用次數(shù)的增加,車轍的最大深度也會隨之增加;且當(dāng)輪載作用次數(shù)較少時,在輪跡的邊緣存在凸起區(qū)域,這是由于瀝青材料的擁擠造成的;繼而該凸起區(qū)域的變形也會隨著荷載的增加愈加明顯。

        3.3 路面Y向車轍變形

        對左側(cè)軸載所在中心位置的變形進(jìn)行分析,輪載作用次數(shù)假定為80萬次。表3為面層各結(jié)構(gòu)的變形情況。

        表3 面層不同結(jié)構(gòu)層變形情況對比

        由表3數(shù)據(jù)可以看出,瀝青路面的變形主要發(fā)生在瀝青面層;而基層、土基以及底基層的變形要相對小很多,可以認(rèn)為幾乎不會發(fā)生變形。在面層中,變形由大到小依次為中面層、下面層和上面層,最大變形達(dá)到了4.14 mm,最小的僅為0.59 mm。

        4 車轍變形影響因素分析

        4.1 二級標(biāo)題

        溫度對路面車轍的形成有著不可忽略的影響,這是因?yàn)楦邷丨h(huán)境下瀝青會發(fā)生軟化現(xiàn)象,出現(xiàn)流動變形,特別是在循環(huán)論證作用下,車轍變形更加容易發(fā)生。為了分析溫度對車轍變形的影響,以路表下20 mm的點(diǎn)為研究對象,分析25、40、60 ℃等3中不同溫度下車轍變形的差異,將輪載作用次數(shù)取8.0×10次。圖3為不同溫度下的車轍變形情況。

        圖3 不同溫度下路面車轍變形規(guī)律

        由圖3所示變形規(guī)律可以看出,瀝青路面永久變形量的增加和溫度之間呈現(xiàn)出正相關(guān)的變化關(guān)系,且溫度越高,最大變形也越大;25、40、60 ℃三種不同溫度下最大的變形量分別是4.9、6.6和7.4 mm。這就得出一個結(jié)論,即高溫會加速路面破壞。

        4.2 胎壓

        眾所周知,車輛的輪胎的氣壓與車輛荷載之間是相互協(xié)調(diào)、相互對應(yīng)的,即軸載越大所對應(yīng)的胎壓也越大;在其他因素相同的情況下,所對應(yīng)起來的車轍深度也就越大。我國相關(guān)設(shè)計規(guī)范所規(guī)定的胎壓標(biāo)準(zhǔn)為0.7 MPa,但在實(shí)際運(yùn)營中由于超載現(xiàn)象的嚴(yán)重,部分胎壓甚至?xí)_(dá)到1.1 MPa。為了分析胎壓與路面車轍變形的關(guān)系,本位給出胎壓在0.7~1.2 MPa之間變化時,60 ℃時1/2路面結(jié)構(gòu)的不同位置的車轍變形量的變化情況。

        由變形規(guī)律可以看出,瀝青路面永久變形量的增加和溫度之間呈現(xiàn)出正相關(guān)的變化關(guān)系。就所分析的0.7~1.2 MPa,路面車轍最大變形分別為2.3、2.6、3.5、4.1、4.8、5.8 mm;其他條件相同的情況下,胎壓增大0.5 MPa,路面最大變形量要增加2倍以上,增加幅度十分明顯。以上分析表明,超載和重載對路面變形有著不可忽略的影響,對路面的使用壽命有著嚴(yán)重的影響。

        5 結(jié) 論

        (1)在輪載的循環(huán)作用下,車轍變形量的增加與加載次數(shù)之間并非均勻的變化關(guān)系。研究結(jié)果中,在輪載作用1.0×10次之前,車轍深度的增加趨勢較為緩慢,而在此之后車震深度隨輪載作用次數(shù)的增加而急劇增大。

        (2)輪載作用次數(shù)越多,車轍的深度就越大;當(dāng)輪載作用次數(shù)較少時,會在輪跡的邊緣位置出現(xiàn)隆起的現(xiàn)象,而在輪跡的中心位置處,該現(xiàn)象并不明顯;當(dāng)輪載作用次數(shù)繼續(xù)增加后,在兩個輪載的中心位置處的隆起現(xiàn)象也就逐漸變得愈加明顯起來。

        (3)對于半剛性基層的瀝青路面,瀝青面層是發(fā)生車轍變形的主要位置;在面層中,變形由大到小依次為中面層、下面層和上面層,研究結(jié)果中,最大變形達(dá)到了4.14 mm,最小的僅為0.59 mm。

        (4)瀝青路面永久變形量的增加和溫度之間呈現(xiàn)出正相關(guān)的變化關(guān)系,其他情況一定的情況下,溫度越高,最大變形也越大;其中,在25~40 ℃的范圍內(nèi)溫度對路面變形的影響較60 ℃要明顯。

        (5)胎壓對路面變形的影響不可忽略;胎壓越大,車轍的變形深度也會隨之增大;且輪跡兩側(cè)變形也對相應(yīng)增大。

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