動(dòng)荷載下雙絞合鋼絲網(wǎng)瀝青加鋪路面有限元分析

梁 勇 秦仁杰 邱冬華

(長(zhǎng)沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410015)

0 引言

我國(guó)水泥混凝土路面自20世紀(jì)80年代進(jìn)入蓬勃發(fā)展時(shí)期，隨著道路交通量的不斷增長(zhǎng)，使用年限的不斷增加，水泥混凝土路面也出現(xiàn)了許多問題，在水泥混凝土路面上加鋪瀝青面層是水泥混凝土路面改造常用的措施。然而由于舊水泥路面與瀝青加鋪層之間的剛度相差較大，且舊水泥混凝土路面每隔一定距離會(huì)設(shè)置接縫，這便使得這種加鋪結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)瀝青加鋪層反射開裂的問題[1]。

雙絞合鋼絲網(wǎng)作為一種路面加筋材料，經(jīng)過了大量試驗(yàn)研究和工程實(shí)踐證明，發(fā)現(xiàn)其可以大大提高加鋪層的抗開裂、抗疲勞性能。林偉平、黃向京等[2]對(duì)比了多種防反射裂縫措施的方法，結(jié)果表明在一定基礎(chǔ)條件下，用雙絞合鋼絲網(wǎng)來(lái)防治反射裂縫是很有效的。潘志歆[3]通過有限元軟件ABAQUS建立了舊水泥路面瀝青加鋪結(jié)構(gòu)的平面模型，研究了雙絞合鋼絲網(wǎng)在瀝青加鋪層當(dāng)中的防裂效果。查旭東、朱凱等[4]通過有限元分析了AC+PCC復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)。黃旭、查旭東等[5]通過對(duì)雙絞合鋼絲網(wǎng)、自粘式玻纖格柵、高強(qiáng)土工格柵以及土工布的抗裂性能進(jìn)行了對(duì)照，結(jié)果顯示抗裂性能最好的是雙絞合鋼絲網(wǎng)。

該文通過運(yùn)用有限元軟件ABAQUS，建立帶縫舊水泥路面上加鋪雙絞合鋼絲網(wǎng)瀝青路面的三維模型，利用FORTRAN語(yǔ)言來(lái)編寫DLOAD以及UTRACLOAD子程序，用來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)荷載的施加。分析了雙絞合鋼絲網(wǎng)瀝青加鋪路面在動(dòng)荷載下的動(dòng)力響應(yīng)，同時(shí)考慮到我國(guó)重載交通的普遍性，研究了重載交通對(duì)加鋪層應(yīng)力的影響，為后續(xù)雙絞合鋼絲網(wǎng)瀝青加鋪層路面的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供參考。

1 有限元分析模型

1.1 模型介紹及材料參數(shù)

為了建立更合適的舊水泥路面上加鋪雙絞合鋼絲網(wǎng)瀝青路面的三維模型，研究瀝青加鋪路面的變化規(guī)律，對(duì)模型做出如下假設(shè)：

1)路面結(jié)構(gòu)由AC加鋪層、原水泥混凝土層以及路基層(路基層包括原水泥混凝土路面基層、底基層和土基)組成，各層都為均勻、連續(xù)、各向同性的線彈性體。2)考慮實(shí)際舊水泥混凝土路面存在接縫，在模型中水泥混凝土層設(shè)置了1 cm的接縫，不考慮接縫處荷載傳遞作用。3)層與層之間水平、豎向位移完全連續(xù)。4)不計(jì)路面結(jié)構(gòu)的自重。5)模型底部采用完全固定約束，側(cè)面約束水平方向位移。

該文運(yùn)用ABAQUS/Stantrad(隱式)進(jìn)行有限元分析運(yùn)算，AC加鋪層、水泥混凝土層及路基層網(wǎng)格單元采用三維線性八節(jié)點(diǎn)減縮積分單元(C3D8R)，雙絞合鋼絲網(wǎng)采用三維梁?jiǎn)卧?B31)進(jìn)行模擬，對(duì)荷載移動(dòng)帶以及接縫處位置網(wǎng)格進(jìn)行加密，三維計(jì)算網(wǎng)格圖如圖1所示。模型中路面寬度X取4 m，行車方向Z取3.333 m，原水泥板塊接縫間距為1 cm，計(jì)算路面結(jié)構(gòu)時(shí)，基本材料參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)

材料厚度/cm彈性模量/MPa泊松比AC101 2000.25水泥混凝土2430 0000.15路基—2000.3

雙絞合鋼絲網(wǎng)置于AC加鋪層與舊水泥混凝土板之間，雙絞合鋼絲網(wǎng)與AC加鋪層采用ABAQUS中的“embeded”指令使兩者耦合，以此將雙絞合鋼絲網(wǎng)嵌入到瀝青加鋪層中[6]。雙絞合鋼絲網(wǎng)具有高模量、低蠕變、抗脆裂等優(yōu)良性能，其力學(xué)性能見表2。

表2 雙絞合鋼絲網(wǎng)的力學(xué)特性

1.2 移動(dòng)荷載的施加

基于有限元軟件ABAQUS分別進(jìn)行DLOAD以及UTRACLOAD子程序的開發(fā)應(yīng)用，用DLOAD來(lái)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)豎向荷載的施加，用UTRACLOAD來(lái)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)荷載的水平荷載的施加[7]。水平荷載的大小為豎向荷載的15%，方向與行車方向相反[8]。該文當(dāng)中采用行車荷載BZZ-100，輪壓0.7 MPa，雙輪中心距D=0.32 m，荷載作用面積簡(jiǎn)化為0.213 m×0.167 m，移動(dòng)荷載帶長(zhǎng)3.333 m，由4排小矩形方格組成，如圖2所示，當(dāng)處于初始狀態(tài)時(shí)，車輪位于1號(hào)矩形之上，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)時(shí)間步結(jié)束時(shí)車輪荷載位于第2號(hào)矩形之上。通過使用多個(gè)時(shí)間步來(lái)達(dá)到模擬移動(dòng)荷載的作用效果。

2 力學(xué)分析

據(jù)相關(guān)科研成果表明[9]，舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層容易產(chǎn)生的裂縫類型為剪切型和張開型，反射裂縫一般從層底反射上去，針對(duì)裂縫的易擴(kuò)展位置，本文以接縫處輪載中心正下方AC層底點(diǎn)位為計(jì)算點(diǎn)位，以其最大剪應(yīng)力和最大拉應(yīng)力為計(jì)算指標(biāo)。

2.1 加鋪層的力學(xué)響應(yīng)

在標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下，保持路面結(jié)構(gòu)不變，車速取60 km/h，時(shí)間取0.11 s，得到雙絞合鋼絲網(wǎng)加鋪層結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)如圖3所示，當(dāng)對(duì)路面施加隨時(shí)間變化的移動(dòng)荷載時(shí)，隨著時(shí)間的變化，計(jì)算點(diǎn)的應(yīng)力也隨之發(fā)生著變化，在某一時(shí)間點(diǎn)計(jì)算點(diǎn)的σ1和τmax會(huì)達(dá)到最大值。

由圖3a)可知：當(dāng)車輛從遠(yuǎn)方駛來(lái)的過程中，計(jì)算點(diǎn)的最大剪應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)駛到計(jì)算點(diǎn)位正上方時(shí)，最大剪應(yīng)力達(dá)到最大，最大為0.395 MPa，隨著車輛駛離，最大剪應(yīng)力也隨之減小。由圖3b)可知：當(dāng)車輛從遠(yuǎn)方駛近的時(shí)候，計(jì)算點(diǎn)主要承受的是拉應(yīng)力，當(dāng)駛到計(jì)算點(diǎn)正上方時(shí)，點(diǎn)位應(yīng)力產(chǎn)生突變，由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)為壓應(yīng)力，壓應(yīng)力達(dá)到最大，隨著車輛的駛離，應(yīng)力狀態(tài)又由壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力，拉應(yīng)力最大為0.044 MPa。

2.2 重載的影響

重載是我國(guó)道路行駛車輛普遍存在的問題，會(huì)造成路面過早損壞,導(dǎo)致路面使用性能衰減加快，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致路面使用壽命大大縮短，本文在路面結(jié)構(gòu)中保持其他參數(shù)不變，車速取60 km/h，僅考慮超載使胎壓增大，分析了胎壓從0.70 MPa以20%的增幅逐級(jí)增加到1.40 MPa的受力情況，得到超載情況下的雙絞合鋼絲網(wǎng)加鋪層的應(yīng)力變化規(guī)律如圖4所示。

由圖4a)可知：瀝青混合料加鋪層層底的最大剪應(yīng)力隨著行車荷載的增大而呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，且上升趨勢(shì)接近于線性上升，當(dāng)行車荷載從0.70 MPa增大至1.40 MPa時(shí)，動(dòng)荷載作用下的加鋪層層底最大剪應(yīng)力分別增加19.99%，16.66%，14.28%，12.50%，11.11%。由圖4b)可知：加鋪層層底的最大拉應(yīng)力隨著行車荷載的增大而呈現(xiàn)出線性上升趨勢(shì)，當(dāng)行車荷載從0.70 MPa增大到1.40 MPa時(shí)，最大拉應(yīng)力由0.044 MPa增長(zhǎng)到了0.087 MPa，比標(biāo)準(zhǔn)軸載下增長(zhǎng)了將近1倍。

3 結(jié)語(yǔ)

1)通過建立與實(shí)際荷載更加接近的移動(dòng)荷載模型，揭示了雙絞合鋼絲網(wǎng)瀝青加鋪層路面結(jié)構(gòu)層底應(yīng)力的動(dòng)力響應(yīng)。

2)考慮我國(guó)超載情況比較嚴(yán)重，設(shè)立了不同的荷載等級(jí)，得到了不同荷載情況下加輔層層底的變化規(guī)律。

3)未考慮接縫處傳力桿對(duì)水泥板的傳荷作用，往后研究可以考慮增設(shè)傳力桿，考慮水泥板傳荷作用對(duì)瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)的影響。