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      道路使用條件對(duì)路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響

      2016-12-12 13:45:52江志義
      公路與汽運(yùn) 2016年6期
      關(guān)鍵詞:單輪剪應(yīng)變胎壓

      江志義

      (湖南省交建工程集團(tuán)有限公司,湖南株洲 412007)

      道路使用條件對(duì)路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響

      江志義

      (湖南省交建工程集團(tuán)有限公司,湖南株洲 412007)

      采用有限元分析方法,研究道路坡度、車(chē)輛行駛速度、荷載條件(車(chē)輛胎壓和裝載率)和路表溫度等道路使用條件變化對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)中剪應(yīng)力與剪應(yīng)變分布的影響規(guī)律和影響程度,探究縱坡道路與平坡道路瀝青路面在力學(xué)響應(yīng)上的差異及其主要影響因素。

      公路;道路坡度;車(chē)速;荷載條件;溫度;力學(xué)響應(yīng)

      1 坡度對(duì)路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響

      表1 不同縱坡下路表剪應(yīng)力的變化

      1.1 計(jì)算工況

      計(jì)算荷載工況的編號(hào)為Z-A0(裝載率100%,輪胎內(nèi)壓0.7 MPa);道路縱坡為0(平坡)~5%;車(chē)速取初始速度71 km/h;計(jì)算斷面為單輪中心、單輪內(nèi)側(cè)邊緣和單輪外側(cè)邊緣。

      1.2 道路縱坡坡度對(duì)剪應(yīng)力的影響

      1.2.1 路表剪應(yīng)力

      不同道路縱坡下路表剪應(yīng)力見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn):路表剪應(yīng)力隨著道路縱坡的增大而增加。1)當(dāng)?shù)缆房v坡較小時(shí),路表剪應(yīng)力最大值發(fā)生在單輪內(nèi)側(cè)邊緣中心;隨著道路縱坡的增加,路表剪應(yīng)力最大值逐漸向單輪中心處轉(zhuǎn)移。當(dāng)?shù)缆房v坡為5%時(shí),單輪內(nèi)側(cè)邊緣中心剪應(yīng)力與單輪中心處剪應(yīng)力接近。2)當(dāng)?shù)缆房v坡由1%增加至5%時(shí),單輪中心斷面、單輪內(nèi)側(cè)斷面和外側(cè)斷面上的路表剪應(yīng)力依次增加約26%、11%和23%;當(dāng)?shù)缆菲露冗_(dá)到5%時(shí),在滿載條件下,路表剪應(yīng)力最大值約0.081 MPa,發(fā)生在單輪中心斷面上。

      1.2.2 路面中剪應(yīng)力

      路面中剪應(yīng)力最大值及其發(fā)生位置見(jiàn)表2。由表2可以看出:隨著道路縱坡的增大,各計(jì)算斷面上的剪應(yīng)力均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。1)在單輪中心、單輪內(nèi)邊緣和單輪外邊緣斷面上,剪應(yīng)力最大值分別出現(xiàn)在約6、2和3 cm深度處。單輪中心斷面上的剪應(yīng)力最大值接近0.15 MPa,略大于單輪內(nèi)側(cè)邊緣中心和單輪外側(cè)邊緣中心斷面上的剪應(yīng)力最大值。2)單輪中心、單輪外側(cè)邊緣下的剪應(yīng)力最大值和發(fā)生位置幾乎不受縱坡變化的影響;而單輪內(nèi)側(cè)邊緣下剪應(yīng)力最大值隨縱坡的增加略有增大,當(dāng)?shù)缆酚善狡伦兓癁?%坡度時(shí),該部位的剪應(yīng)力最大值僅增長(zhǎng)約4%。

      表2 不同道路縱坡下路面剪應(yīng)力最大值及其所處位置

      1.3 道路坡度對(duì)剪應(yīng)變的影響

      剪應(yīng)變最大值及其發(fā)生位置見(jiàn)表3。從表3可見(jiàn):1)在單輪中心、單輪內(nèi)邊緣和單輪外邊緣斷面上,剪應(yīng)變的最大值分別出現(xiàn)在約3、2和3 cm深度(上面層中下部)處。2)當(dāng)?shù)缆酚善狡伦兓癁?%坡度時(shí),單輪中心斷面上的剪應(yīng)變最大值由2.226× 10-4增加至2.298×10-4,增幅約3%;單輪內(nèi)邊緣斷面上的剪應(yīng)變最大值由2.027×10-4增加至2.103 ×10-4,增幅不超過(guò)4%;單輪外邊緣上的剪應(yīng)變基本不受縱坡變化的影響。

      表3 不同道路縱坡下路面中剪應(yīng)變最大值及其所處位置

      2 車(chē)速對(duì)路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響

      2.1 計(jì)算工況

      計(jì)算荷載工況編號(hào)為Z-A1(裝載率200%,輪胎內(nèi)壓0.7 MPa);道路縱坡為5%;計(jì)算車(chē)速為69(初始速度)~22.70 km/h(平衡速度),另增加100和10 km/h;計(jì)算斷面同上。

      2.2 車(chē)速對(duì)剪應(yīng)力的影響

      各計(jì)算斷面上剪應(yīng)力最大值及其相應(yīng)位置見(jiàn)表4。由表4可見(jiàn):1)單輪中心斷面上剪應(yīng)力最大值隨著車(chē)速降低而增加的程度比單輪兩側(cè)邊緣斷面上的明顯,但剪應(yīng)力最大值小于這兩個(gè)斷面上的剪應(yīng)力最大值。當(dāng)車(chē)速由100 km/h降低至10 km/h(降幅90%)時(shí),該斷面上的剪應(yīng)力最大值由0.123 MPa增加至0.143 MPa,增幅約17%。2)在單輪內(nèi)側(cè)邊緣中心斷面上出現(xiàn)剪應(yīng)力最大值,當(dāng)車(chē)速由100 km/h降低至10 km/h時(shí),該剪應(yīng)力最大值由0.152 MPa增加至0.162 MPa,增幅約7%。

      表4 車(chē)速影響下路面剪應(yīng)力最大值及其所處位置

      2.3 車(chē)速對(duì)剪應(yīng)變的影響

      各計(jì)算斷面上剪應(yīng)變最大值及其位置見(jiàn)表5。由表5可見(jiàn):隨著車(chē)速的下降,瀝青路面內(nèi)各深度處的剪應(yīng)變均明顯增大。1)在3個(gè)計(jì)算斷面上,剪應(yīng)變最大值均發(fā)生在上面層中下部,當(dāng)車(chē)輛行駛速度由100 km/h降低至10 km/h時(shí),單輪中心、單輪內(nèi)側(cè)邊緣和單輪外側(cè)邊緣斷面上的剪應(yīng)變最大值分別增長(zhǎng)153%、123%和111%。2)路面中剪應(yīng)變最大值發(fā)生在單輪內(nèi)側(cè)邊緣斷面上,約在路表下2 cm(上面層中部)處,與剪應(yīng)力最大值出現(xiàn)位置一致。當(dāng)車(chē)輛行駛速度降低至10 km/h時(shí),該斷面上的剪應(yīng)變最大值達(dá)到5.922×10-4。

      3 胎壓對(duì)路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響

      3.1 計(jì)算工況

      計(jì)算荷載工況編號(hào)為Z-A0、Z-B0、Z-C0(輪胎內(nèi)壓分別為0.7、1.0和1.3MPa,裝載率為100%);道路坡度為零(平坡);計(jì)算車(chē)速取初始速度71 km/h;計(jì)算斷面同上。

      表5 車(chē)速影響下路面剪應(yīng)變最大值及其所處位置

      3.2 胎壓對(duì)剪應(yīng)力的影響

      胎壓增加將顯著增加路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的剪應(yīng)力。在單輪中心斷面上,胎壓變化對(duì)剪應(yīng)力的影響主要發(fā)生4~10 cm深度處;在單輪內(nèi)側(cè)邊緣和單輪外側(cè)邊緣斷面上,胎壓變化對(duì)剪應(yīng)力的影響主要發(fā)生2 cm以下深度處,且影響程度較低。不同胎壓下路面結(jié)構(gòu)中剪應(yīng)力最大值及其發(fā)生位置見(jiàn)表6。由表6可見(jiàn):路面內(nèi)剪應(yīng)力最大值發(fā)生在單輪中心斷面、中面層位置,隨著胎壓的增長(zhǎng),剪應(yīng)力最大值的位置向上移動(dòng);剪應(yīng)力最大值隨輪胎內(nèi)壓的增長(zhǎng)而顯著增大,當(dāng)胎壓由0.7 MPa增加至1.3 MPa時(shí)(增幅約86%),剪應(yīng)力最大值由0.147MPa增加至0.242 MPa,增幅為65%。3.3 胎壓對(duì)剪應(yīng)變的影響

      表6 輪胎內(nèi)壓影響下路面剪應(yīng)力最大值及其所處位置

      在不同輪胎內(nèi)壓下,路面結(jié)構(gòu)中的剪應(yīng)變分布規(guī)律與剪應(yīng)力相同。在單輪中心斷面上,胎壓變化對(duì)剪應(yīng)變的影響顯著;在單輪內(nèi)側(cè)和外側(cè)邊緣斷面上,胎壓變化對(duì)路面結(jié)構(gòu)剪應(yīng)變的影響程度降低。不同胎壓下路面內(nèi)部剪應(yīng)變最大值及其發(fā)生位置見(jiàn)表7。由表7可見(jiàn):剪應(yīng)變最大值發(fā)生在單輪中心斷面上,位于路面深度3 cm(上面層)處;當(dāng)胎壓由0.7 MPa增大至1.3 MPa時(shí),剪應(yīng)變最大值由2.218 ×10-4增加至3.627×10-4,增幅接近64%。

      表7 輪胎內(nèi)壓影響下路面剪應(yīng)變最大值及其所處位置

      4 裝載率對(duì)路面結(jié)構(gòu)力學(xué)影響的影響

      4.1 計(jì)算工況

      計(jì)算荷載工況編號(hào)為Z-A0~Z-A4和ZC0~Z-C4(輪胎內(nèi)壓分別取為0.7和1.3 MPa,車(chē)輛荷載即裝載率分別取為100%、200%、300%和400%)。輪胎內(nèi)壓為0.7 MPa時(shí),道路坡度取為零(平坡);輪胎內(nèi)壓為1.3MPa時(shí),道路坡度取為5%。計(jì)算車(chē)速取各荷載工況下的初始速度。計(jì)算斷面與前面的相同。

      4.2 裝載率對(duì)剪應(yīng)力的影響

      各計(jì)算斷面上路面結(jié)構(gòu)中剪應(yīng)力最大值及其發(fā)生位置見(jiàn)表8。由表8可以看出:1)當(dāng)車(chē)輛裝載率增加時(shí),無(wú)論輪胎內(nèi)壓是0.7 MPa還是1.3 MPa,單輪中心處的剪應(yīng)力最大值均呈現(xiàn)減小趨勢(shì),該現(xiàn)象的出現(xiàn)與輪胎中部接觸應(yīng)力分布有關(guān)。2)單輪內(nèi)側(cè)邊緣和外側(cè)邊緣斷面上的剪應(yīng)力最大值隨著裝載率的增加而顯著增大。當(dāng)裝載率由100%增加至400%(增幅3倍)時(shí),單輪內(nèi)側(cè)邊緣斷面上的剪應(yīng)力最大值增幅超過(guò)100%。以裝載率100%為基準(zhǔn),裝載率每增加100%,該斷面上剪應(yīng)力最大值的平均增幅約35%。3)隨著裝載率的增加,瀝青層內(nèi)剪應(yīng)力最大值由單輪中心轉(zhuǎn)移至單輪內(nèi)側(cè)邊緣和單輪外側(cè)邊緣中心斷面上,并由約6 cm(中面層)深度處移至約2 cm深度處(上面層)。當(dāng)裝載率達(dá)到400%(輪胎內(nèi)壓1.3 MPa)時(shí),瀝青路面中的剪應(yīng)力最大值為0.243 MPa,發(fā)生在單輪內(nèi)側(cè)邊緣中心路表下2 cm處。

      表8 裝載率影響下剪應(yīng)力最大值及其所處位置

      4.3 裝載率對(duì)剪應(yīng)變的影響

      各計(jì)算斷面上路面結(jié)構(gòu)中剪應(yīng)變最大值及其所在位置見(jiàn)表9。由表9可見(jiàn):1)裝載率對(duì)路面結(jié)構(gòu)剪應(yīng)變的影響受車(chē)輛胎壓的影響較小,僅在單輪中心斷面上略有不同。胎壓為0.7 MPa時(shí),單輪中心處剪應(yīng)變最大值隨著裝載率的增加呈現(xiàn)減小趨勢(shì);當(dāng)胎壓為1.3 MPa時(shí),單輪中心處剪應(yīng)變最大值隨著裝載率的增加呈現(xiàn)增大趨勢(shì);剪應(yīng)變最大值出現(xiàn)在上面層。2)單輪內(nèi)側(cè)邊緣和外側(cè)邊緣斷面上的剪應(yīng)變最大值均隨著裝載率的增加而顯著增大。當(dāng)裝載率由100%增加至400%時(shí),單輪內(nèi)側(cè)邊緣斷面的剪應(yīng)變最大值由2.007×10-4增加至5.49×10-4,增幅173%,發(fā)生在單輪內(nèi)側(cè)邊緣中心路表下2 cm處,該最大值受胎壓的影響較小。相對(duì)于裝載率100%,裝載率每增加100%,剪應(yīng)變最大值的平均增幅接近58%。3)當(dāng)裝載率大于200%時(shí),瀝青層內(nèi)的剪應(yīng)變最大值由單輪中心移至單輪內(nèi)側(cè)邊緣和單輪外側(cè)邊緣中心斷面上。

      表9 裝載率影響下剪應(yīng)變最大值及其所處位置

      5 溫度對(duì)路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響

      5.1 計(jì)算工況

      計(jì)算荷載工況編號(hào)為Z-C2(胎壓1.3 MPa,裝載率300%);坡度為5%;平衡車(chē)速16.8 km/h;取路表溫度40~70℃。

      5.2 溫度對(duì)剪應(yīng)力最大值的影響

      各計(jì)算斷面上路面結(jié)構(gòu)中剪應(yīng)力最大值及其發(fā)生位置見(jiàn)表10。由表10可見(jiàn):1)在單輪內(nèi)側(cè)邊緣和外側(cè)邊緣斷面上出現(xiàn)剪應(yīng)力最大值,發(fā)生在上面層。當(dāng)路表溫度由40℃升高至70℃(增幅75%)時(shí),剪應(yīng)力最大值的增幅不到4%(單輪內(nèi)側(cè)斷面)。2)下面層層底剪應(yīng)力隨著路表溫度的升高而呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。

      5.3 溫度對(duì)剪應(yīng)變的影響

      各計(jì)算斷面上剪應(yīng)變最大值及其發(fā)生位置見(jiàn)表11。由表11可見(jiàn):剪應(yīng)變最大值發(fā)生在上面層(3個(gè)計(jì)算斷面),并隨著路表溫度的升高而顯著增大。路表溫度每升高10℃,面層中的剪應(yīng)變最大值增大1~2倍。

      表10 溫度影響下路面最大剪應(yīng)力及所處位置

      表11 溫度影響下路面最大剪應(yīng)變及其所處位置

      6 結(jié)論

      (1)道路使用條件變化主要影響瀝青路面上面層、中面層的剪應(yīng)力和剪應(yīng)變分布。對(duì)剪應(yīng)力分布影響程度較大的因素是輪胎內(nèi)壓和裝載率,對(duì)剪應(yīng)變分布影響程度較大的因素是路表溫度、車(chē)速、輪胎內(nèi)壓和裝載率。

      (2)當(dāng)車(chē)輛荷載條件、路表溫度一定時(shí),縱坡道路瀝青路面與平坡道路瀝青面層中剪應(yīng)力和剪應(yīng)變水平的差異主要源自車(chē)輛行駛速度變化的影響,受道路縱坡坡度自身變化的影響較小。

      (3)車(chē)輛輪胎內(nèi)壓增大將導(dǎo)致剪應(yīng)力和剪應(yīng)變?cè)黾?,增加幅度與胎壓的增大幅度相當(dāng);車(chē)輛裝載率變化將顯著影響剪應(yīng)力和剪應(yīng)變的分布及大小,車(chē)輛裝載率每增加100%,路面結(jié)構(gòu)中剪應(yīng)力最大值、剪應(yīng)變最大值的增幅分別高達(dá)35%和58%。

      (4)根據(jù)車(chē)輛行駛速度對(duì)瀝青面層中剪應(yīng)變最大值、瀝青面層剪應(yīng)變累積量的影響程度,建議以車(chē)輛行駛速度35 km/h作為平衡速度對(duì)最大縱坡坡度進(jìn)行界定。

      [1] 李曉忠.路面結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響[J].青海交通科技,2009(2).

      [2] 張宜洛.長(zhǎng)大縱坡路段瀝青路面行為和混合料設(shè)計(jì)研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2012.

      [3] 王陳剛,侯云飛.縱坡道路瀝青路面結(jié)構(gòu)及材料設(shè)計(jì)[J].公路與汽運(yùn),2015(4).

      [4] 蘇凱,胡曉,胡小弟,等.實(shí)測(cè)輪胎荷載作用下層間接觸條件對(duì)瀝青路面力學(xué)響應(yīng)的三維有限元分析[J].上海公路,2006(1).

      U416.217

      A

      1671-2668(2016)06-0111-05

      2016-09-02

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