移動(dòng)荷載作用下瀝青路面車轍響應(yīng)分析

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(河北省高速公路石黃管理處　石家莊　050000)

移動(dòng)荷載作用下瀝青路面車轍響應(yīng)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(huì)對(duì)路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水平向推力，從而加劇路面結(jié)構(gòu)層剪切破壞，而路面結(jié)構(gòu)層剪應(yīng)力過大是引起路面車轍的主要因素。文中建立在移動(dòng)荷載下路面結(jié)構(gòu)有限元模型，應(yīng)用正交因素分析法研究車速、軸載、HMA厚度、HMA模量對(duì)路面車轍的影響。結(jié)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(guān)系可以用二次拋物線描述。

關(guān)鍵詞移動(dòng)荷載瀝青路面車轍深度有限元

我國規(guī)范[1]中路面結(jié)構(gòu)計(jì)算是假設(shè)路面結(jié)構(gòu)承受靜止車輛荷載，然而路面結(jié)構(gòu)實(shí)際上大多數(shù)時(shí)間承受的卻是以一定速度行駛的移動(dòng)車輛荷載。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的董澤蛟[2]等人通過建立路面結(jié)構(gòu)在非均勻分布的移動(dòng)荷載作用下有限元模型，分析了路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的空間分布以及時(shí)程變化情況。中南大學(xué)的梁洪濤[3]研究了移動(dòng)荷載作用下瀝青路面結(jié)構(gòu)時(shí)程響應(yīng)，借助有限元?jiǎng)恿Ψ匠糖蠼夥椒?，根?jù)彈性層狀體系假設(shè)，建立了移動(dòng)荷載作用下瀝青路面三維有限元模型。河海大學(xué)土木與交通學(xué)院的陳俊、東南大學(xué)交通學(xué)院的黃曉明等[4]借助離散元理論對(duì)路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了移動(dòng)荷載作用下多尺度的分析，建立了瀝青路面結(jié)構(gòu)典型離散元結(jié)構(gòu)模型，驗(yàn)證了以離散元為基礎(chǔ)，移動(dòng)荷載作用下瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變分布比靜力荷載作用下更接近實(shí)際。由此可見，在路面結(jié)構(gòu)仿真分析時(shí)，采用移動(dòng)荷載比靜力荷載更能反映路面實(shí)際受力情況。

本文借助ANSYS建立路面結(jié)構(gòu)響應(yīng)模型，分析在移動(dòng)荷載作用下路面結(jié)構(gòu)參數(shù)以及軸載對(duì)車轍的影響。

1移動(dòng)荷載作用下車轍計(jì)算模型

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

(1)

車轍的計(jì)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(jié)構(gòu)有限元模型時(shí)，對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)模型做出如下假設(shè)：①路面結(jié)構(gòu)為彈性層狀體系；②路面結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)模型尺寸見圖1。

圖1　移動(dòng)荷載下的路面結(jié)構(gòu)模型

2多因素正交試驗(yàn)分析

路面結(jié)構(gòu)屬于多種材料復(fù)合而成的結(jié)構(gòu)體，產(chǎn)生的車轍嚴(yán)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(jìn)行正交分析，選取正交試驗(yàn)分析見表1。

表1　路面結(jié)構(gòu)多因素正交試驗(yàn)分析

對(duì)表1中計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析，采用F檢驗(yàn)方法，取檢驗(yàn)水平為0.1時(shí)，查方差表得到F0.9(3,3)= 5.39，取檢驗(yàn)水平為0.05時(shí)，查方差表得到F0.95(3,3)=9.28。計(jì)算各個(gè)因素均方差，得到檢驗(yàn)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(duì)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(duì)車轍影響相對(duì)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(jié)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(jìn)行建模分析，得到回歸曲線，見圖2、圖3。

圖2　HMA厚度對(duì)車轍深度的回歸曲線

圖3　軸載大小對(duì)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(jié)構(gòu)HMA總厚度在9~12 cm時(shí)，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(duì)車轍影響與之相反，隨著軸載的增加，車轍深度逐漸變大，當(dāng)軸載水平大于120 kN時(shí)，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(jié)論

(1) 車速、軸載、HMA厚度、HMA模量對(duì)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(duì)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(shí)，車轍深度增長速率明顯加快，說明大貨車占的比例對(duì)車轍有著至關(guān)重要的影響。

參考文獻(xiàn)

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

[2]董澤蛟,譚憶秋,歐進(jìn)萍.三向非均布移動(dòng)荷載作用下瀝青路面動(dòng)力響應(yīng)分析[J].土木工程學(xué)報(bào),2013(6):122-130.

[3]梁洪濤.移動(dòng)荷載作用下層狀瀝青路面結(jié)構(gòu)時(shí)程響應(yīng)分析[D].中南大學(xué),2013.

[4]陳俊，黃曉明，汪林兵，等.移動(dòng)荷載作用下柔性路面多尺度結(jié)構(gòu)的響應(yīng)[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)：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(shè)計(jì)及應(yīng)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