車輪荷載作用下的瀝青路面結(jié)構(gòu)受力特征

藍(lán)明祥

(新疆興亞工程建設(shè)有限公司，新疆　烏魯木齊　831100)

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車輪荷載作用下的瀝青路面結(jié)構(gòu)受力特征

藍(lán)明祥

(新疆興亞工程建設(shè)有限公司，新疆烏魯木齊831100)

為研究瀝青路面在車輪荷載作用下的結(jié)構(gòu)受力特征規(guī)律，文章采用ANSYS有限元軟件，對(duì)典型瀝青路面結(jié)構(gòu)在車輪荷載作用下的的受力情況進(jìn)行數(shù)值模擬分析。研究結(jié)果表明：在車輪荷載作用下，車輪作用處發(fā)生凹陷變形，車輪周邊發(fā)生凸起變形，且中面層和下面層的豎向變形最大；路面各節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的位移隨著路面深度的增大而增大；在車輪荷載作用范圍內(nèi)，剪應(yīng)力呈現(xiàn)不均勻分布；車輪中心位置點(diǎn)處，合應(yīng)力在車輪荷載的作用時(shí)間初期，產(chǎn)生突變?cè)龃螅S后應(yīng)力大小基本保持不變；特征點(diǎn)的豎向位移和蠕變變形均隨荷載作用時(shí)間逐漸增大，曲線均表現(xiàn)為兩階段變化特征。

瀝青路面；車輪荷載；車轍；結(jié)構(gòu)受力；力學(xué)特征；數(shù)值分析

0　引言

瀝青路面的性能與溫度、時(shí)間、應(yīng)力之間的關(guān)系明顯。由于瀝青混合料的性能優(yōu)劣差異，在高溫及重、超載車輛的作用下瀝青路面產(chǎn)生不同程度的永久變形，

從而出現(xiàn)車轍痕跡，給路面行駛舒適性和安全性帶來不利[1-2]。因此，進(jìn)行瀝青混合料永久變形的研究對(duì)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及車轍病害防治的意義非凡。目前在數(shù)值分析方面，路面車轍的相關(guān)研究成果較為豐富，例如Wu[3]利用ANSYS有限元軟件，結(jié)合蠕變模型和(D-P)塑性模型預(yù)測(cè)瀝青混合料路面結(jié)構(gòu)的永久變形；Hua[4]利用ABAQUS有限元，將路面假設(shè)未平面應(yīng)變問題，計(jì)算了瀝青路面永久變形值；Erkens和Blab等[5-6]人則采用有限元三維方法分析路面力學(xué)性能；張久鵬[7]運(yùn)用有限元建立了路面結(jié)構(gòu)二維模型，分析了瀝青路面柔性基層的車轍變化；張麗娟[8]結(jié)合D-P蠕變模型，利用粘彈性有限元對(duì)瀝青混合料的靜載情況下的蠕變進(jìn)行了分析；汪凡[9]采用Johnson-Cook粘塑性模型分析了瀝青混合料的溫度效應(yīng)、應(yīng)變硬化等力學(xué)特征。

本文結(jié)合我國國內(nèi)主要的瀝青路面結(jié)構(gòu)形式，運(yùn)用ANSYS有限元中的蠕變模對(duì)瀝青路面在車輪荷載作用下的力學(xué)特性進(jìn)性模擬分析。研究成果能夠?yàn)闉r青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及路面車轍病害防治提供理論支持。

1　模型建立

1.1選取模型參數(shù)

本文以典型路面結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)文研究對(duì)象，路面結(jié)構(gòu)由上至下依次為SMA-13、AC-20、AC-25，水泥穩(wěn)定碎石基層，水泥粒料底基層。據(jù)文獻(xiàn)[10]中描述的路面各結(jié)構(gòu)層材料相關(guān)參數(shù)及彈性模量E和泊松波v的參考值，得到各結(jié)構(gòu)層力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1　路面各結(jié)構(gòu)層模擬參數(shù)表

注：表1中，A、n、m為蠕變方程中的回歸參數(shù)

1.2邊界條件及建立模型

車轍試驗(yàn)樣板是一層面板模型，采用ANSYS有限元中solid45單元對(duì)單層板和全厚路面層包含上面層、中面層、下面層、基層、底基層進(jìn)行三維構(gòu)造，該單元由多個(gè)節(jié)點(diǎn)定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有X、Y、Z三個(gè)方向的自由度。solid45單元的屬性能夠定義蠕變模型中的材料性能。

構(gòu)造三維實(shí)體模型，定義模型參數(shù)，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，路面結(jié)構(gòu)模型大小為2.5 m×2.5 m×5 m，網(wǎng)格劃分采用自由化網(wǎng)格，每個(gè)單元的X、Y、Z尺寸大小為5 cm，上面層，中面層，下面層的單元格厚度依次設(shè)定為4 cm、5 cm、6 cm，基層和底基層的單元格厚度均設(shè)定為15 cm。蠕變模型中的數(shù)值模擬的加載方式采用分級(jí)加載形式，分為兩次加載，第一次加載時(shí)間較短，不打開蠕變?cè)O(shè)置，第二次加載需要考慮加載的時(shí)間，即打開蠕變?cè)O(shè)置。依據(jù)上述步驟，通過有限元軟件得到路面結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1　路面結(jié)構(gòu)模型圖

2　車輪荷載作用下瀝青路面結(jié)構(gòu)受力特征

2.1應(yīng)變特征分析

數(shù)值模擬中，將車輛的單軸雙輪荷載作用于路面頂部，規(guī)定車輪荷載作用大小為0.7 MPa，車輪荷載作用時(shí)間為5 000 s。在該條件下模擬車輛荷載反復(fù)作用于瀝青路面結(jié)構(gòu)模型，得到路面結(jié)構(gòu)層的豎向變形二維圖，如圖2所示。

圖2　反復(fù)荷載作用下瀝青路面結(jié)構(gòu)層的豎向變形圖

從圖2中可明顯看出，在車輪荷載的反復(fù)作用下，瀝青路面結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生明顯的波浪形變，車輪作用處，路面結(jié)構(gòu)豎向擠密壓實(shí)，側(cè)向流動(dòng)變形，車輪作用處產(chǎn)生凹陷，車輪周邊發(fā)生凸起。此外，從圖中還可以看出，車輛荷載對(duì)路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生車轍主要對(duì)面層的影響較大，尤其是中面層和下面層產(chǎn)生的豎向變形較大，這表明中面層和下面層對(duì)車轍變形承擔(dān)主要作用。

圖3為路面蠕變變形圖，從圖中可以看出，輪軸中心位置產(chǎn)生的蠕變變形最大，輪胎外側(cè)產(chǎn)生的蠕變變形次之，越遠(yuǎn)離車輪作用位置，蠕變變形的影響越小。

圖3　路面蠕變變形圖

圖4為車輪荷載作用下，路面產(chǎn)生的位移等值線變化圖，從該圖中可了解到路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生的位移變化情況，即車輪作用處，路面各節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的位移隨著路面深度的增大而增大。

圖4　路面位移等值線圖

2.2應(yīng)力特征分析

圖5和圖6分別為路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部剪切應(yīng)力圖和剪切應(yīng)力等值線圖。從圖5～6中可以看出，車輪荷載作用影響的范圍外，路面所受的剪切應(yīng)變大小一致；在車輪荷載作用范圍內(nèi)，剪應(yīng)力呈現(xiàn)不均勻分布，其中車輪作用兩側(cè)位置的剪應(yīng)力要高于輪軸中心處的剪應(yīng)力。此外，Y方向兩側(cè)剪應(yīng)力明顯高于其他。

圖5　路面剪切應(yīng)力圖

圖6　路面剪切應(yīng)力等值線圖

2.3特征點(diǎn)力學(xué)特征分析

本文著重探討車輪中心位置點(diǎn)的力學(xué)特征，并對(duì)其合應(yīng)力、豎向位移、蠕變變形等方面進(jìn)行詳細(xì)分析。圖7為特征點(diǎn)的合應(yīng)力曲線圖，從圖中可以看出，隨著車輪荷載的作用時(shí)間初期，合應(yīng)力產(chǎn)生突變?cè)龃螅S著荷載作用時(shí)間的增加，基本保持不變狀態(tài)。

圖8和圖9分別為特征點(diǎn)的豎向位移曲線圖和蠕變變形曲線圖，從這兩個(gè)圖中可看出，隨著車輪荷載作用的時(shí)間增加，特征點(diǎn)的豎向位移和蠕變變形都逐漸增大，兩者曲線均表現(xiàn)為兩階段變化特征，荷載作用時(shí)間初期，增加的幅度最大，隨后幅度逐步減小，并且初期變形程度最大。

圖7　特征點(diǎn)合應(yīng)力變化曲線圖

圖8　特征點(diǎn)豎向位移曲線圖

圖9　特征點(diǎn)蠕變曲線圖

3　結(jié)語

本文利用ANSYS有限元軟件，在車輪荷載作用下對(duì)典型瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)特征進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。研究得到了以下主要結(jié)論：

(1)應(yīng)變方面，在車輪荷載的反復(fù)作用下，瀝青路面結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生明顯的波浪形變，車輪作用處產(chǎn)生凹陷，車輪周邊產(chǎn)生凸起，并且中面層和下面層對(duì)車轍變形承擔(dān)主要作用；輪軸中心位置產(chǎn)生的蠕變變形最大，輪胎外側(cè)產(chǎn)生的蠕變變形次之；路面各節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的位移隨著路面深度的增大而增大。

(2)應(yīng)力方面，在車輪荷載作用范圍內(nèi)，剪應(yīng)力呈現(xiàn)不均勻分布，其中車輪作用兩側(cè)位置的剪應(yīng)力要高于輪軸中心處的剪應(yīng)力。

(3)特征點(diǎn)方面，車輪中心位置點(diǎn)處，合應(yīng)力在車輪荷載的作用時(shí)間初期，產(chǎn)生突變?cè)龃?，但隨著荷載作用時(shí)間的增加，基本保持不變狀態(tài)；特征點(diǎn)的豎向位移和蠕變變形均隨荷載作用時(shí)間逐漸增大，兩者曲線均表現(xiàn)為兩階段變化特征。

(4)研究表明中面層和下面層對(duì)車轍變形承擔(dān)主要作用，因此需要對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)變形設(shè)計(jì)提出更高的要求，同時(shí)也表明ANSYS有限元軟件能夠有效地模擬瀝青路面車轍力學(xué)變化規(guī)律，可為車轍變形研究提供較好的技術(shù)手段。

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Asphalt Pavement Structure Force Characteristics under Wheel Loads

LAN Ming-xiang

(Xinjiang Xingya Construction Engineering Co.，Ltd.，Urumqi，Xinjiang，831100)

In order to study the structure stress characteristic rules of asphalt pavement under the wheel loads，this article conducted the numerical simulation analysis on the force situation of typical asphalt pavement structure under wheel loads by using ANSYS finite element software.The results showed that：under the wheel loads，the recess deformation occurs at the place with wheel action，with peripheral convex deformation around the wheel，and the middle surface layer and low surface layer have the maximum vertical deformation；the displacement at each pavement node increases with the increase of pavement depth；within the action range of wheel loads，the shear stress shows the non-uniform distribution；at the wheel center point，the combined stress has the mutation increases at early stage of wheel load action time，but then the stress magnitudes keep essentially unchanged；the vertical displacement and creep deformation at characteristic points both gradually increase with the loading action time，and the curve shows the two-stage changing characteristics.

Asphalt pavement；Wheel loads；Rut；Structure force；Mechanical characteristics；Numerical analysis

U416.217

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.08.005

1673-4874(2016)08-0017-05

2016-06-04

藍(lán)明祥(1976—)，工程師，主要從事土木工程(路橋)技術(shù)研究工作。