車輛制動條件下開裂瀝青路面的力學響應

張召青 李 娜

(濟寧市規劃設計研究院,山東 濟寧 272000)

瀝青混凝土面層裂縫是路面結構早期破壞的主要形式之一，不僅大幅降低了瀝青路面的行車性能，還影響了瀝青路面的使用壽命。很多學者通過有限元軟件和試驗的方法對瀝青路面裂紋的擴展規律做了大量研究，取得了豐碩的成果[1-5]。隨著研究的深入，有學者指出車輛在行駛過程中不但會對路面結構產生垂直作用力，還會產生水平作用力[6]。在車輛啟動或制動過程中，水平力的出現會使得瀝青路面面層與基層之間的層間剪力瞬間增大，當路面材料的抗剪強度不足時，會對路面結構產生不利影響。所以車輛在路面行駛時產生的水平荷載是一個不能忽視的因素。針對這一點，本文通過建立瀝青路面結構粘彈性模型，利用ABAQUS有限元軟件，結合斷裂力學理論，對開裂瀝青路面在車輛制動時的粘彈性響應進行分析。

1 模型概況

瀝青路面可以視為由瀝青混合料面層、半剛性基層和土基組成的層狀體系，文中路面模型長寬高分別取值為10 m,6 m,6 m，其中X軸為路面橫向寬度方向，Y軸為路面厚度方向，Z軸為行車方向，面層上有一條沿Z軸方向長度為1 m的裂紋，位于模型正中間，有限元模型見圖1。

由于瀝青混合料是一種典型的粘彈性材料，修正的Burgers模型(如圖2所示)能很好的反映粘彈性材料的“固結效應”，其本構方程如式(1)所示，所以使用修正的Burgers模型模擬瀝青面層材料，面層材料采用與文獻[7]相同的Prony級數，基層和土基均為線彈性材料，各結構層參數見表1。

(1)

表1 路面結構各層材料計算參數

計算模型基本假定：層間接觸條件為完全連續狀態；模型邊界條件為行車方向的兩個側面選擇Z方向約束，底面為完全固定；模型處于25 ℃。

2 路面結構受力分析

為了更好模擬車輛制動過程，采用階躍荷載加載方式[8]，荷載起始位置為距模型邊界2.8 m處，為了避免模型邊界條件對計算結果的影響，只計算了從起始位置開始1.89 m之內的瀝青路面道路的動態響應。模擬車輛制動過程中，在每個單元上作用不同時長的定值荷載，模擬車輛勻減速的效果。車輛初速度為60 km/h，采取最大的制動加速度。

荷載采用我國設計標準軸載BZZ-100，根據等面積原則將荷載簡化為單軸雙輪、雙矩形荷載，矩形邊長為18.9 cm，軸心距為31.95 cm，豎直均布壓力為0.7 MPa；水平制動力[9]為：

Fxbmax=Fz×φ

(2)

其中，Fxbmax為車輪與路面之間的最大制動力;Fz為車輪對路面的垂直作用力；φ為路面附著系數，本文選擇φ=0.8。

不考慮側向力時，車輛制動時能達到的最大加速度為：

a=φ×g

(3)

車輛開始減速到完全靜止時的制動距離為：

(4)

按照運動學公式，可以獲得各個荷載步的加載時間分別為：

(5)

其中，Ti為第i荷載步所作用的時間；S′為車輪與道路接觸矩形的長度。

3 計算結果分析

有限元計算所使用的參數如前文所述，由于本文中裂紋方向與車輛移動方向相同，不同截面處的應力強度因子的變化規律會不同，所以選擇裂紋中點以及Z坐標軸負方向的裂紋端點作為觀測點。分析車輛制動對面層裂紋應力強度因子以及路表彎沉的影響，計算結果如圖3～圖7所示，圖中分別用ZHI和YUN來表示車輛制動和勻速時路面結構的響應。

圖3,圖4分別為車輛制動時裂縫中點處應力強度因子KⅠ,KⅡ的時程曲線，由于車輛制動時裂紋中點處應力強度因子KⅠ均為負值，說明此處承受壓縮作用，能使裂縫產生愈合作用，所以對于這種情況，本文不做過多研究。從圖4中可以看出車輛制動時應力強度因子KⅡ先隨制動時間的增加而減小出現一個負的峰值，然后再逐漸趨近于0；對于車輛勻速時則與之相反。無論KⅡ的正負，都將引起裂縫擴展，且車輛制動時比勻速時應力強度因子峰值的絕對值約增大1倍，這說明車輛制動時在裂縫中點處更容易出現剪切型裂縫擴展趨勢。

圖5，圖6分別為車輛制動時裂縫端點處應力強度因子KⅠ,KⅡ的時程曲線，從圖中可以得到裂縫端點處應力強度因子KⅠ在車輛制動時快速增長，且隨制動時間的累積不斷增長，遠大于車輛勻速時KⅠ的峰值。而應力強度因子KⅡ在較短時間內就達到峰值，其峰值比勻速時約增大3倍。這說明車輛在制動時，裂紋端點處易出現張開型和剪切型裂縫擴展趨勢。

車輛制動時裂縫中間位置處瀝青面層頂部豎向位移的變化情況如圖7所示，從圖7可以看出車輛制動時面層豎向位移在短時間內迅速增長后緩慢增加，其任意時刻位移值均大于勻速時位移值，但車輛制動時僅比勻速時瀝青面層豎向位移峰值約增大18.5%，按照20 ℃抗壓回彈模量計算出本文路表彎沉值為31.18(0.01 mm)，符合規范規定要求。

4 結語

本文在考慮瀝青路面粘彈性情況下，探討開裂瀝青路面在車輛制動條件下的力學特性。通過數值模擬，發現在車輛制動時，裂縫中點處容易出現剪切型裂縫擴展趨勢，裂紋端點處易出現張開型和剪切型裂縫擴展趨勢，而對面層頂部彎沉影響較小，所以在瀝青路面多制動區域應提高瀝青混凝土強度。此結論可為瀝青路面結構設計提供參考依據。