剛性基層復合式路面層間剪應力分析

康寶龍 安玖臻 張長浩

(長安大學理學院，陜西西安 710064)

0 引言

復合式路面是一種在連續配筋水泥混凝土路面(CRCP)上加鋪瀝青混合料面層(AC)的一種路面結構。連續配筋混凝土板做基層，具有強度高、經久耐用、養護費用低等優點。在水泥混凝土上加鋪瀝青層后，可以提高路面承載力，改善路面的使用性能和表面性能，使得路面平整不反光。但AC+CRCP復合式路面在使用過程中，由于在行車荷載水平力的作用下，如果瀝青混合料面層與CRCP層間界面抗剪強度不足，就會使瀝青混合料面層在粘合面上發生剪切位移，嚴重時形成壅包、開裂和車轍等早期病害［1］。因此，本文通過有限元分析方法，建立三維實體模型對層間剪應力進行分析，研究其力學行為及影響因素。

1 選取計算模型

由于解析法建立模型非常困難，即使建立模型，求得解析解相對來說比較困難，而數值方法是對微分方程的近似解答求解相對容易。因此，本文采用ANSYS有限元軟件進行分析。

模型選用Solid65單元、Pipe16單元、Combin14單元和Solid45四種實體單元［2］進行模擬分析。該模型考慮了鋼筋與混凝土之間的粘結滑移作用［3］，滑移本構取線性模型。模型選用長方形來模擬實際路面，不考慮地基的作用。模型的邊界條件為：在縱向沒有位移，CRCP板底面完全約束，AC層與CRCP層完全連續。本文的加載方式為矩形均布荷載，輪載壓強為0.7 MPa，作用面積為0.15 m×0.15 m，雙層結構，上層為100 mm瀝青面層，E=1 200 MPa， u=0.35，下層為260 mm連續配筋混凝土基層，E=30 GPa，u= 0.15。建立的實際模型見圖1。

圖1 剛性基層復合式路面有限元模型

為了確定計算模型的板的尺寸，做了不同尺寸板試算，結果表明，僅當選用邊長較小的板時，計算結果偏小達不到精度要求。若選用較大尺寸，比較耗費計算空間，因此確定模型的尺寸為6 m× 4.5 m，長邊為行車方向。

2 計算參數分析

2.1 瀝青層厚度的影響

在不改變其他參數的情況下，單獨改變瀝青層的攤鋪厚度，通過計算來了解AC厚度對剪應力的影響，計算結果見表1。

表1 不同瀝青層厚度下的層間應力計算結果

從圖1中可以看出，隨著瀝青層厚度的增加，層間最大剪應力逐漸減小。瀝青層從6 cm增加到8 cm時，最大剪應力減小了10.9%，層底拉應力減小了17.0%;從20 cm增加到22 cm時，最大剪應力減小了9.3%，層底拉應力減小了3.3%。由此可見，隨著AC層厚度的增加，層間最大剪應力的變化幅度逐漸減小;瀝青層層底拉應力也隨著瀝青層厚度的增加而逐漸減小，當瀝青層厚度超過16 cm后，影響逐漸減弱。

2.2 瀝青層彈性模量的影響

瀝青是典型的粘彈塑性材料，對于溫度變化相對水泥混凝土較為敏感，溫度對瀝青混合料彈性模量的影響很大，所以有必要在不同模量下分析層間剪應力的變化。計算結果見圖2，其中H為瀝青層厚度。

圖2 層間最大剪應力與瀝青層模量關系曲線

計算結果表明，層間最大剪應力隨著瀝青層模量的增大而減小，當模量小于3 000 MPa時，這種變化趨勢較為緩慢。當路面溫度升高，面層模量減小導致層間剪應力增大，但變化量小于0.004 MPa，對路面結構和CRCP的影響微弱。

2.3 荷載作用位置的影響

車輛在行駛過程中，車輪位置在路面的分布具有隨機性，層間最大剪應力也會隨著車輛在不同位置加速、轉彎和剎車而具有隨機性。因此，針對不同的荷載作用位置進行分析是很有必要的。

研究結果表明，層間剪應力與車輛的行駛狀態有很大關系，車輛下坡緊急剎車或下坡急轉彎情形下的層間最大剪應力是正常行駛狀態下的3.4倍左右［4］，在本次加載中考慮水平力的影響，選取水平力系數fx=0.5，即水平力為垂直荷載的0.5倍。

分析時采用標準軸載BZZ-100，輪胎內壓為0.7 MPa，單個輪壓作用范圍18.9 cm×18.9 cm，雙輪間距32 cm，兩側輪系間距182 cm。作用位置選取為：

1縱縫邊緣中部，2橫縫邊緣中部，3板角，4板中部。分析結果見表2。

表2 不同荷位下層間應力計算結果 MPa

計算結果表明：當荷載作用于板角時，層間剪應力最大，相應的主應力也最大，作用于橫縫中部時的層間應力相對較小，縱縫中央次之，板中部最小。這也解釋了在汽車剎車時，板角和橫縫容易發生破壞。

3 結語

使用ANSYS有限元分析軟件，分析了連續配筋復合式路面在不同位置的荷載作用下，層間最大剪應力以及主應力，分析了瀝青面層厚度和在溫度影響下面層模量對層間剪應力的影響，得出以下結論：

1)車輛荷載的作用位置對層間最大剪應力的出現位置及大小均有顯著影響，荷載作用于板角時，層間剪應力及主應力均有最大值，建議施工過程中加強處理，防止沖斷破壞;2)瀝青面層的厚度對層間剪應力也有較大影響，施工中嚴格控制瀝青混合料攤鋪厚度，在滿足設計要求的前提下盡可能的做到經濟合理;3)瀝青面層的模量對層間最大剪應力影響較小。

［1］ 黃 衛，錢振東.高等瀝青路面設計理論與方法［M］.北京：科學出版社，2001.

［2］ 周永磊.寒冷地區連續配筋混凝土路面溫度應力分析和配筋設計［D］.長春：吉林大學，2006.

［3］ 曹東偉.連續配筋混凝土路面結構研究［D］.西安：長安大學博士學位論文，2001.

［4］ 岳 鵬，田小波.剛柔復合式路面粘結層剪應力有限元分析［J］.交通標準化，2010(12)：63-67.