低溫重載作用下瀝青路面結構應力分析

文/于千 楊旭姣 趙歡

隨著我國經濟建設的迅猛發展，我國的公路網越來越致密，車輛速度提高，貨車載重量增大，超載現象嚴重，尤其是針對吉林等冬季寒冷地區，瀝青混凝土路面氣溫最低可至零下十幾度到三十幾度，且白天和夜晚溫差大，所以在低溫-重載作用下瀝青混凝土路面易發生病害。本文即通過ABAQUS軟件模擬低溫-重載作用下瀝青路面結構的應力變化，指出其中的規律，為低溫環境下高速公路路面設計提供理論支持，為促進我國東北、西北等地公路交通基礎設施的健康發展提供參考。

0.引言

交通運輸部公路科學研究院近幾年研究表明：山西省作為煤炭產地，公路運輸超載、超限現象極為普遍，運煤車輛紛紛超載[1]。據調查，內蒙古110國道六軸貨車，雙軸軸載高達300kN，三聯軸軸載高達520kN[2]。如此多的超載現象對瀝青混凝土路面設計使用功能提出了更高的要求。尤其是針對東北、西北等易發生凍融循環地區，對路面的性能要求更高，隨著車速的增高和車輛載重的增加，這就使得傳統的靜態設計方法[3]不能充分真實地反映路面的實際受力狀況，更無法對高速重載車輛作用下的路面響應進行合理的分析。綜上，本文針對瀝青混凝土路面在低溫-重載作用下的應力響應進行分析，旨在為冬季寒冷地區高速公路路面設計理論參考，為預防和治理低溫環境下瀝青路面早期破壞提供一定的理論依據。

1.有限元模型基本理論

1.1 瀝青路面溫度場

1.2 三維動態有限元方程

根據彈性動力學變分原理[5]，彈性系統動力學有限元方程為：[M]{δ¨ }+[C]{δ˙}+[K]{δ}={F（t）}

式中：[M]、[C]、[K]——質量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣；

{δ¨ }、{δ˙}、{δ}——加速度、速度、位移向量；

F（t）——動荷載。

2.重載交通下瀝青路面受力分析

2.1 瀝青混凝土路面結構材料確定

為了定性地分析各參數對重載交通下瀝青路面應力的影響[6]，本文以琿烏高速為例進行簡單的模型建立，經調查可知琿烏高速主線和匝道路面結構，如下圖1所示：

圖1 琿烏高速路面結構圖

根據規范建議模型內的基本參數如下表1所示：

表1 路面結構層材料參數

以上數據為例，建立三維瀝青路面有限元模型，為使所建模型更加合理，模型尺寸設為8m×6m×5m，路面結構在以上基礎上加入土基。

2.2 重載交通貨車輪胎荷載確定

為更好了解重載公路輪胎接地壓強分布情況，確定荷載作用模式，研究表明，采用重載公路標準軸載為P0=140kN，輪胎接地壓強p0=1.10MPa，荷載圓直徑為d=21.13cm，兩輪中心距為1.5d[7]。為簡化模型，移動荷載只在道路中間行駛，簡化后的荷載作用面積為矩形 結合上文路面材料，利用ABAQUS軟件可得瀝青路面模型如下圖2所示：

圖2 重載交通下瀝青路面模型

3.瀝青路面溫度場模擬

3.1 路面結構及材料參數

還是以琿烏高速為例，經調查，各種材料的熱特性參數及路面結構取值[8]如下表2所示：

表2 各種材料的熱特性參數及路面結構取值

3.2 溫度場模型建立

采用ABAQUS有限元軟件，利用以上數據模擬高寒地區瀝青路面在降溫過程中路面溫度場的影響因素及變化規律[9]。溫度場模型如下圖3所示：

4.低溫-重載耦合作用下瀝青路面結構應力響應

4.1 各結構層壓應力橫向變化分析

圖5為瀝青層壓應力橫向變化趨勢圖。由圖可知，上面層壓應力在輪載作用邊緣存在奇異性[10]（B點左側為1.02MPa，右側為0.51MPa）；中面層和下面層在荷載作用中心取得最大值，中面層最大值為0.87MPa，下面層最大值為0.83MPa。

圖5 瀝青路面壓應力橫向變化趨勢圖

圖6 瀝青路面剪應力橫向變化趨勢圖

4.2 各結構層剪應力橫向變化分析

由圖可知，在低溫-重載作用下，中面層剪應力最大，上面層其次，下面層最小；中面層和上面層剪應力最大處位于荷載作用中心，最大值分別為0.16MPa和0.07MPa；下面層在荷載外邊緣處剪應力最大，最大值為0.03MPa。

5.結論

本文針對低溫-重載作用下瀝青路面結構，以琿烏高速為例，考慮低溫條件與重載條件耦合作用，研究低溫-重載作用下瀝青路面結構力學響應，主要結論如下：（1）上面層壓應力會在輪載作用邊緣存在奇異性，中面層和下面層在荷載作用中心取得最大值，因此在低溫-重載環境下瀝青混凝土路面設計時要著重考慮行車道中心路面設計要求。（2）在低溫-重載作用下，瀝青路面在剪應力作用下易發生車轍、推移等，其中中面層剪應力最大，上面層其次，所以在路面抗車轍設計時不僅要考慮上面層，中面層設計材料也要針對低溫環境進行合理選擇。（3）低溫-重載耦合作用下瀝青混凝土路面橫向剪應力更大，更易引起路面破壞，因此，在瀝青混凝土路面設計中考慮溫度和重載的耦合作用更為安全。C

引用出處

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