文/于千 楊旭姣 趙歡

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅猛發(fā)展，我國的公路網(wǎng)越來越致密，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)計提供理論支持，為促進(jìn)我國東北、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)象對瀝青混凝土路面設(shè)計使用功能提出了更高的要求。尤其是針對東北、西北等易發(fā)生凍融循環(huán)地區(qū)，對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，更無法對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

1.2 三維動態(tài)有限元方程

根據(jù)彈性動力學(xué)變分原理[5]，彈性系統(tǒng)動力學(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）——動荷載。

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]。為簡化模型，移動荷載只在道路中間行駛，簡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)瀝青路面在降溫過程中路面溫度場的影響因素及變化規(guī)律[9]。溫度場模型如下圖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)力橫向變化趨勢圖

圖6 瀝青路面剪應(yīng)力橫向變化趨勢圖

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)計時要著重考慮行車道中心路面設(shè)計要求。（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)計時不僅要考慮上面層，中面層設(shè)計材料也要針對低溫環(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)計中考慮溫度和重載的耦合作用更為安全。C

引用出處

[1]張志輝.江西省公路貨運(yùn)車輛超限超載運(yùn)輸治理對策研究[D].江西財經(jīng)大學(xué),2021.DOI：10.27175/d.cnki.gjxcu.2021.001097.

[2]于雷.內(nèi)蒙古重載交通高等級公路瀝青路面結(jié)構(gòu)研究[D].東南大學(xué),2015.

[3]《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》（JTGD 50-2017）[S].人民交通出版社.2017.

[4] FuG,Hag-Elsafi0.Vehicularoverloads：Loadmodel,bridgesafety,andperm itchecking[J].JournalofBridgeEngineering,2000,5（1）：49-57.

[5]M oon KH,Marasteanu MO,TurosM.Comparison of thermalstressescalculatedfromasphaltbinderandasphaltmixturecreeptests[J].JournalofMaterialsin CivilEngineering,2012,25（8）：1059-1067

[6]彭偉.重載交通下瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析[D].重慶交通大學(xué),2015.

[7]張鋒,馮德成,凌賢長,李瓊林.重載汽車-路面-路基垂向耦合動力學(xué)模型[J].中國公路學(xué)報,2015,28（04）：1-12.DOI：10.19721/j.cnki.1001-7372.2015.04.001.

[8]劉道坤.高寒地區(qū)瀝青路面低溫開裂機(jī)理及防治措施研究[D].重慶交通大學(xué),2019.DOI：10.27671/d.cnki.gcjtc.2019.000785.

[9]喬世哲.高寒地區(qū)緩釋型抗凝冰瀝青路面抗凝冰動力學(xué)研究[D].西華大學(xué),2022.DOI：10.27411/d.cnki.gscgc.2022.000526.

[10]周志剛,李宇峙.氣溫和交通荷載對低溫縮裂的影響[J].長沙交通學(xué)院學(xué)報,1996,（01）：34-40.