旧水泥混凝土板加铺沥青罩面结构的应力分析

杨 刚,薛忠军,张肖宁

(1.广州市公路管理局工程研究所;2.华南理工大学)

沥青加铺层路面结构(“白加黑”工程)主要由旧水泥路面板结构、夹层、沥青面层等结构层组成,沥青加铺层结构稳定性同时受外因如车辆荷载、温度、气候、水文地质条件等和内因如沥青加铺层结构本身各组成部分特性的影响。这些结构层特性直接关系到沥青加铺层结构设计的重要问题,将直接影响沥青加铺层使用性能。

1 分析模型

1.1 模型建立

为使分析模型更符合沥青加铺层实际受力状况,结构模型设计进行了如下假设:(1)加铺前后的路面结构均质、连续、各向同性;(2)各结构层间完全接触;(3)加铺层表面自由;(4)旧水泥路面接缝尖端已到达夹层底部;(5)旧路经过有效处理,不存在脱空板和传荷能力差的板。根据弹性层状体系理论进行计算,确定取4.5m×10.005m×3.3m作为计算模型,横缝宽度 0.5cm,横向贯穿旧水泥路面。模型选用三维八节点SOLID单元,靠近荷载作用位置和接缝位置的单元划分比较密,远离荷载位置、板边缘位置的单元划分较稀疏(如图 1)。接缝间的荷载传递能力通过设置剪切弹簧来模拟,采用一维CONBIN14单元,只允许其有剪切方向自由度。

1.2 荷载分析

(1)静态作用荷载分析

行车模型采用的是黄河JN-100标准车型(后轴重100kN,轮压0.7MPa,双轮中心距32cm,轮距182cm)。为便于分析计算,轮胎与路面的接触面理想化为 18.9cm× 18.9cm的正方形,如图 1。最不利载位如图 2。

图1 BZZ-100标准车型

(2)动态作用荷载分析

汽车在行驶过程中,对路面产生垂直方向振动作用和瞬间冲击作用,以及水平方向推挤作用。由于沥青加铺层结构的粘弹塑性性质,荷载作用时间不同,路面结构所表现出的力学性质是完全不同。

图2 加铺层中最不利荷载位置

板体变形的瞬态动力学求解的基本运动方程见式(1)为节点速度矢量;{ü}为节点加速度矢量。

结构阻尼矩阵

式中:α,β是与结构固有频率和阻尼比相关的常系数,可以由任意两个振型的固有频率和相应的阻尼比来确定。本研究中采用模态叠加法,将从模态分析中得到各个振型分别乘以系数后叠加起来以计算动力学响应。动态分析模型荷载亦采用黄河 JN-100标准车型(轴重 100kN,轮压0.7MPa),受力接触面积 357.21cm2,计算时所取的速度为72km/h,即荷载作用的时间为 0.01s,荷载行驶路线为最不利荷载位置如图 3所示的荷载作用中心。

2 沥青加铺层的应力分析结果

沥青加铺层结构基本参数采用如表 1,对沥青面层厚度分别为4cm、4.5cm、6cm、8cm、10cm、12cm、14cm、16cm、18cm、20cm的加铺层进行应力分析。沥青罩面加铺层结构层内应力影响的计算结果见图 3～图 5。

表1 结构层材料参数

图3 最大剪应力变化曲线图

图4 最大主应力变化曲线图

图5 等效应力变化曲线图

根据上述结果及图表分析可知:最大剪应力结果中,面层剪应力的波动范围为 0.295～0.357MPa,变化值为0.062MPa;旧水泥混凝土板的波动范围为0.270～0.604MPa,变化值为0.334MPa;夹层波动范围为0.623～1.300MPa,变化值为0.677MPa。最大主应力结果中,面层剪应力的波动范围为0.668～0.820MPa,变化值为0.152MPa;旧水泥混凝土板的波动范围为0.953～1.490MPa,变化值为0.537MPa;夹层波动范围为1.160～2.220MPa,变化值为1.06MPa。等效应力结果中,面层剪应力的波动范围为 0.544～0.654MPa,变化值为0.11MPa;旧水泥混凝土板的波动范围为1.10～2.04MPa,变化值为0.94MPa;夹层波动范围为1.170～2.390MPa,变化值为1.22MPa。

3 结 论

根据应力分析的数据结果以及有关分析,可有以下结论。

(1)面层中等效应力、最大剪应力随着面层厚度的增加先减小后增大,第一主应力随着厚度增加减小,但三种应力值的变化区域均较窄。因此,单纯增加面层的厚度来减少反射裂缝效果并不明显,而且面层标高变化太大,附属设施和沿线构筑物的标高都要进行相应的变化。另外,在际工程中从投资的角度看,单纯增加面层的厚度也不是一种合理的设计应用方法。

(2)三个层位产生的应力水平差异很大,其中的夹层结构中产生的最大主应力﹑最大剪应力﹑等效应力等三种应力平均水平和变化范围均较大,说明在旧水泥板上加铺沥青面层结构设计中的关键技术是夹层的结构,需要对夹层结构和材料进行专门设计。

(3)在“白加黑”旧路加铺沥青层的设计过程中,应充分重视结构层之间的结构构造要求,应想方设法地加强旧水泥混凝土板与应力夹层以及应力夹层与沥青面层之间的层间结合力,力使实际结构与理论设计保持一致。

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