基于ABAQUS軟件分析瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)

曾 涓

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶 400074)

0 引言

瀝青路面除了承受車輪的荷載作用，還會因內(nèi)部溫度場變化發(fā)生破壞。瀝青路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力主要包括荷載應(yīng)力和溫度應(yīng)力。目前，對路面溫度應(yīng)力的研究主要通過有限元數(shù)值模擬分析方法，通過ABAQUS等有限元軟件可以方便的對路面結(jié)構(gòu)劃分網(wǎng)格、簡化作用在路面的荷載并進(jìn)行數(shù)值模擬，但因輪胎與路面非均勻接觸時(shí)的壓力、輪胎的曲線足跡、輪跡的橫向分布等因素考慮不同，其模擬結(jié)果也存在較大差異[1-4]。本文通過ABAQUS軟件模進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布和溫度應(yīng)力分布，分析瀝青路面受力情況。

1 有限元模型的建立

1.1 網(wǎng)格劃分

根據(jù)溫度場理論，通過Fortran語言編寫DFLUX子程序。通過ABAQUS有限元軟件建立2D模型，采用等參八節(jié)點(diǎn)四邊形平面應(yīng)變單元CPE8R，模型長3.75m，高3m[2]。模型網(wǎng)格劃分如圖1所示。邊界約束條件為：下邊界處x，y方向位移為0；左右邊界處x方向位移為0；上邊界處為自由邊，不受約束。

圖1 有限元模型網(wǎng)格劃分

圖2 路面結(jié)構(gòu)組合

1.2 路面結(jié)構(gòu)及荷載參數(shù)

路面結(jié)構(gòu)模型采用半剛性基層瀝青路面，路面結(jié)構(gòu)如圖 2所示。問了便于計(jì)算，瀝青面層、水穩(wěn)碎石層和級配碎石層的熱傳導(dǎo)率分別為4600（W/(m·K)）、5616（W/(m·K)）和 5000（W/(m·K)）；瀝青層、水穩(wěn)碎石層和水穩(wěn)層回彈模分別為1000MPa、1500 MPa和300 MPa，泊松比均取0.3。有限元分析時(shí)，將雙圓均布標(biāo)準(zhǔn)荷載100kN進(jìn)行簡化，如表1所示。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 荷載應(yīng)力分析

根據(jù)ABAQUS計(jì)算結(jié)果，路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖如圖3～圖5所示。

圖3 路面結(jié)構(gòu)正應(yīng)力云圖

圖4 路面結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力云圖

圖5 路面結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力結(jié)構(gòu)云圖

由圖3～圖5可知，路面面層主要受壓應(yīng)力，其中最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在道路表面大小為0.097MPa。壓應(yīng)力在向路面深處傳遞過程中逐漸減小，最終過渡到受拉狀態(tài)，因此最大拉應(yīng)力位于底基層，大小為0.091MPa，土基應(yīng)力響應(yīng)可忽略不計(jì)。最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在道路表面，大小為0.109MPa，主要集中在兩個(gè)荷載圓之間。

2.2 溫度應(yīng)力分析

引入溫度場后，可觀察不同時(shí)刻下各結(jié)構(gòu)層內(nèi)部的溫度變化以及熱量傳遞狀況，半剛性基層瀝青路面內(nèi)部溫度變化及熱量傳遞狀況如圖6，7所示。

圖6 各結(jié)構(gòu)層溫度

圖7 熱量傳遞

從圖6圖7可以看出，路面熱量傳遞為面層至基層，其中最高溫度為33.12℃，位于上面層中部，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于大氣溫度，這是由于路面對太陽輻射的吸收率遠(yuǎn)高于空氣。路表面的溫度變化受氣溫影響極大，隨著結(jié)構(gòu)層厚度的增加，熱量傳遞速率逐漸減慢。

3 結(jié)論

（1）在輪載作用下，瀝青面層主要受壓應(yīng)力，且壓應(yīng)力向路面?zhèn)鬟f過程中逐漸減小，逐漸過渡到拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在基層處；最大剪應(yīng)力在路面表面，位于兩個(gè)輪載之間。

（2）路面熱量從面層傳遞至基層，最高溫出現(xiàn)在距離路表3-5cm，熱量傳遞速率隨著結(jié)構(gòu)層深度的增加而減小。