重載交通作用下瀝青路面動(dòng)剪應(yīng)力分析

張 麗 娟

(上海師范大學(xué)建筑工程學(xué)院，上海 201418)

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重載交通作用下瀝青路面動(dòng)剪應(yīng)力分析

張 麗 娟

(上海師范大學(xué)建筑工程學(xué)院，上海 201418)

基于動(dòng)力學(xué)分析理論基礎(chǔ)，并利用ANSYS軟件，建立了三維動(dòng)力有限元模型，研究了重載作用下半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)剪應(yīng)力的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和分布規(guī)律，分析了重載路面受剪破壞的機(jī)理，以供參考。

瀝青路面，重載交通，動(dòng)力響應(yīng)，受剪性能

1 動(dòng)力學(xué)分析理論基礎(chǔ)

根據(jù)瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析方法：

(1)

2 路面結(jié)構(gòu)三維有限元數(shù)值模型

2.1 荷載參數(shù)

根據(jù)比利時(shí)公式，輪胎接地壓力和接地面積的隨軸載增加的變化規(guī)律如下[1]：

A=0.008P+152

(2)

(3)

其中，A為輪胎接地面積，cm2;δ為輪胎接地面積當(dāng)量圓半徑，m;P為每個(gè)輪胎所受的荷載，kN;p為輪胎接地壓力，MPa。

采用正弦分布荷載模擬車輛荷載[2]：

P(t)=Pmaxsin(πt/T)

(4)

其中，Pmax為車輛每個(gè)輪胎所受的荷載峰值，kN；T為荷載作用周期，s，按式(5)計(jì)算:

(5)

其中，v為車輛行駛速度，m/s；δ為輪胎接地面積當(dāng)量圓半徑，m。

2.2 路面結(jié)構(gòu)與材料參數(shù)

將路面各結(jié)構(gòu)層視為各向同性線彈性材料。具體的路面結(jié)構(gòu)厚度和材料參數(shù)見表1。

表1 路面結(jié)構(gòu)組成及材料參數(shù)

2.3 有限元模型參數(shù)

基于ANSYS有限元軟件，選取八結(jié)點(diǎn)Solid45單元進(jìn)行動(dòng)力分析。確定最優(yōu)平面幾何尺寸為10m×10m，路基厚度取10m。路面結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析中采用固定邊界條件設(shè)置。考慮到對(duì)稱性，取1/4模型建模。

3 重載作用下動(dòng)力響應(yīng)在路面結(jié)構(gòu)中分布規(guī)律

根據(jù)我國(guó)軸載分布規(guī)律，本文選取計(jì)算荷載參數(shù)為：?jiǎn)屋S雙輪軸載220kN，行駛速度為60km/h。其中點(diǎn)0，0.5，1，2，3，4位于輪隙中心正下方，b0，b0.5，b1，b2,b3，b4為輪載中心正下方各點(diǎn)，分別位于路表、面層中部、面層底部、基層底部、墊層底部、路基頂部以下3m處。a,b,c,d,e位于路表，距輪隙中心處分別為0.05m，0.17m，0.29m，1.47m，2m。

動(dòng)載作用下的剪應(yīng)力如下：

1)縱向剪應(yīng)力。縱向剪應(yīng)力使瀝青混合料發(fā)生縱向流動(dòng)變形,嚴(yán)重時(shí)發(fā)生裂紋、壅包等破壞;橫向剪應(yīng)力使瀝青混合料發(fā)生橫向流動(dòng)變形,產(chǎn)生車轍等破壞。

圖1為輪載中心正下方各點(diǎn)縱向剪應(yīng)力時(shí)程曲線。圖2為輪載中心正下方各點(diǎn)縱向剪應(yīng)力峰值沿深度變化曲線。圖3為路表各點(diǎn)縱向剪應(yīng)力時(shí)程曲線。圖4為路表各點(diǎn)縱向剪應(yīng)力峰值沿橫向變化曲線。

由圖1，圖2可知，縱向剪應(yīng)力在瀝青面層表面達(dá)到最大值(約為200kPa)，隨著深度增加，開始出現(xiàn)衰減，在面層底面，縱向剪應(yīng)力值減小至92.1kPa，說明瀝青面層都處于較高的縱向剪應(yīng)力作用下。在半剛性基層和路基結(jié)構(gòu)中，縱向剪應(yīng)力隨深度的增加迅速減小，在路基頂面(點(diǎn)b3處)剪應(yīng)力已減小到很小的值。

由圖3,圖4可知，沿路表橫向方向，輪隙中心位置處(0點(diǎn))，縱向剪應(yīng)力值較小，隨著與輪隙中心的距離增大，至輪載作用區(qū)域時(shí)，縱向剪應(yīng)力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在輪載作用面中心處(b點(diǎn))縱向剪應(yīng)力值最大，約200kPa。橫向距離增大至距輪隙中心點(diǎn)0.68 m處，正向剪應(yīng)力出現(xiàn)反方向最大值，約為30 kPa，隨著與加載面距離的進(jìn)一步增大，正向剪應(yīng)力逐漸減小，距0點(diǎn)1.5 m處，衰減為0。所以對(duì)于縱向剪應(yīng)力，其最不利位置為面層表面輪載中心處。

2)橫向剪應(yīng)力。圖5為輪隙中心正下方各點(diǎn)橫向剪應(yīng)力時(shí)程曲線。圖6為輪隙中心正下方各點(diǎn)橫向剪應(yīng)力峰值沿深度變化曲線。

由圖5，圖6可知，與縱向剪應(yīng)力相似，橫向剪應(yīng)力在瀝青面層表面達(dá)到最大值(約為241.6 kPa)；在面層結(jié)構(gòu)內(nèi)，橫向剪應(yīng)力隨深度的增加迅速減小，在中面層位置，橫向剪應(yīng)力為94.6 kPa，在下面層底部，橫向剪應(yīng)力衰減為13.6 kPa(結(jié)構(gòu)1)，在半剛性基層及路基內(nèi)，剪應(yīng)力已減小到很小的值。

圖7為路表各點(diǎn)橫向剪應(yīng)力時(shí)程曲線。圖8為路表各點(diǎn)橫向剪應(yīng)力峰值沿橫向變化曲線。由圖7，圖8可知，沿路表橫向方向，輪隙中心位置處(0點(diǎn))，橫向剪應(yīng)力值最大(約為241.6 kPa)，隨著與輪隙中心的距離增大，橫向剪應(yīng)力迅速減小，至輪載作用區(qū)域左邊緣時(shí)(a點(diǎn))，橫向剪應(yīng)力方向已發(fā)生改變，數(shù)值也較小。在輪載作用面中心處(c點(diǎn))，橫向剪應(yīng)力已達(dá)到反方向的最大值(約為115.4 kPa)，但仍遠(yuǎn)小于輪隙中心處的剪應(yīng)力值。隨著橫向距離的進(jìn)一步增大，橫向剪應(yīng)力值逐漸減小，距0點(diǎn)1.5 m處衰減為0 kPa。

4 結(jié)語

對(duì)剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表明，重載車輛反復(fù)作用下，面層不同深度內(nèi)存在較大的剪應(yīng)力。在重載220 kN作用下，本結(jié)構(gòu)瀝青層最大剪應(yīng)力約0.24 MPa，重交瀝青的混合料抗剪強(qiáng)度在0.27 MPa～0.5 MPa之間，為了避免瀝青面層出現(xiàn)一次性剪切破壞，建議重載路面瀝青混合料采取改性瀝青。

[1] 黃文元,王旭東,孫立軍.公路超載特征及重載瀝青路面交通量參數(shù)[J].公路,2003(5)：56-57.

[2] 黃仰賢.路面分析與設(shè)計(jì)[M].北京:人民交通出版社,1998.

Analysis of asphalt pavement dynamic shear stress under heavy load traffic

Zhang Lijuan

(ArchitecturalEngineeringSchool,ShanghaiNormalUniversity,Shanghai201418,China)

Based on dynamic analysis theoretical basis, and using ANSYS software, this paper established the three-dimensional dynamic finite element model, researched the dynamic response and distribution law of semi rigid base asphalt pavement structure inner shear stress under heavy load role, analyzed the shear failure mechanism of heavy load road, for reference.

asphalt pavement, heavy load traffic, dynamic response, shear performance

1009-6825(2016)32-0163-02

2016-09-06

張麗娟(1978- )，女，博士，講師

U416.217

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