動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

(長沙理工大學交通運輸工程學院，湖南 長沙 410015)

0 引言

我國水泥混凝土路面自20世紀80年代進入蓬勃發(fā)展時期，隨著道路交通量的不斷增長，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)過了大量試驗研究和工程實踐證明，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)在瀝青加鋪層當中的防裂效果。查旭東、朱凱等[4]通過有限元分析了AC+PCC復合式路面結(jié)構(gòu)的力學響應。黃旭、查旭東等[5]通過對雙絞合鋼絲網(wǎng)、自粘式玻纖格柵、高強土工格柵以及土工布的抗裂性能進行了對照，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語言來編寫DLOAD以及UTRACLOAD子程序，用來實現(xiàn)動荷載的施加。分析了雙絞合鋼絲網(wǎng)瀝青加鋪路面在動荷載下的動力響應，同時考慮到我國重載交通的普遍性，研究了重載交通對加鋪層應力的影響，為后續(xù)雙絞合鋼絲網(wǎng)瀝青加鋪層路面的設(shè)計與應用提供參考。

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。

該文運用ABAQUS/Stantrad(隱式)進行有限元分析運算，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)點減縮積分單元(C3D8R)，雙絞合鋼絲網(wǎng)采用三維梁單元(B31)進行模擬，對荷載移動帶以及接縫處位置網(wǎng)格進行加密，三維計算網(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，計算路面結(jié)構(gòu)時，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，其力學性能見表2。

表2 雙絞合鋼絲網(wǎng)的力學特性

1.2 移動荷載的施加

基于有限元軟件ABAQUS分別進行DLOAD以及UTRACLOAD子程序的開發(fā)應用，用DLOAD來實現(xiàn)移動豎向荷載的施加，用UTRACLOAD來實現(xiàn)移動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，荷載作用面積簡化為0.213 m×0.167 m，移動荷載帶長3.333 m，由4排小矩形方格組成，如圖2所示，當處于初始狀態(tài)時，車輪位于1號矩形之上，當?shù)谝粋€時間步結(jié)束時車輪荷載位于第2號矩形之上。通過使用多個時間步來達到模擬移動荷載的作用效果。

2 力學分析

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，針對裂縫的易擴展位置，本文以接縫處輪載中心正下方AC層底點位為計算點位，以其最大剪應力和最大拉應力為計算指標。

2.1 加鋪層的力學響應

在標準軸載作用下，保持路面結(jié)構(gòu)不變，車速取60 km/h，時間取0.11 s，得到雙絞合鋼絲網(wǎng)加鋪層結(jié)構(gòu)的動力響應如圖3所示，當對路面施加隨時間變化的移動荷載時，隨著時間的變化，計算點的應力也隨之發(fā)生著變化，在某一時間點計算點的σ1和τmax會達到最大值。

由圖3a)可知：當車輛從遠方駛來的過程中，計算點的最大剪應力逐漸增大，當駛到計算點位正上方時，最大剪應力達到最大，最大為0.395 MPa，隨著車輛駛離，最大剪應力也隨之減小。由圖3b)可知：當車輛從遠方駛近的時候，計算點主要承受的是拉應力，當駛到計算點正上方時，點位應力產(chǎn)生突變，由拉應力轉(zhuǎn)為壓應力，壓應力達到最大，隨著車輛的駛離，應力狀態(tài)又由壓應力變?yōu)槔瓚Γ瓚ψ畲鬄?.044 MPa。

2.2 重載的影響

重載是我國道路行駛車輛普遍存在的問題，會造成路面過早損壞,導致路面使用性能衰減加快，進而會導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力隨著行車荷載的增大而呈現(xiàn)出上升趨勢，且上升趨勢接近于線性上升，當行車荷載從0.70 MPa增大至1.40 MPa時，動荷載作用下的加鋪層層底最大剪應力分別增加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力隨著行車荷載的增大而呈現(xiàn)出線性上升趨勢，當行車荷載從0.70 MPa增大到1.40 MPa時，最大拉應力由0.044 MPa增長到了0.087 MPa，比標準軸載下增長了將近1倍。

3 結(jié)語

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

2)考慮我國超載情況比較嚴重，設(shè)立了不同的荷載等級，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瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)的影響。