刚性基层复合式路面层间剪应力分析

康宝龙 安玖臻 张长浩

(长安大学理学院，陕西西安 710064)

0 引言

复合式路面是一种在连续配筋水泥混凝土路面(CRCP)上加铺沥青混合料面层(AC)的一种路面结构。连续配筋混凝土板做基层，具有强度高、经久耐用、养护费用低等优点。在水泥混凝土上加铺沥青层后，可以提高路面承载力，改善路面的使用性能和表面性能，使得路面平整不反光。但AC+CRCP复合式路面在使用过程中，由于在行车荷载水平力的作用下，如果沥青混合料面层与CRCP层间界面抗剪强度不足，就会使沥青混合料面层在粘合面上发生剪切位移，严重时形成壅包、开裂和车辙等早期病害［1］。因此，本文通过有限元分析方法，建立三维实体模型对层间剪应力进行分析，研究其力学行为及影响因素。

1 选取计算模型

由于解析法建立模型非常困难，即使建立模型，求得解析解相对来说比较困难，而数值方法是对微分方程的近似解答求解相对容易。因此，本文采用ANSYS有限元软件进行分析。

模型选用Solid65单元、Pipe16单元、Combin14单元和Solid45四种实体单元［2］进行模拟分析。该模型考虑了钢筋与混凝土之间的粘结滑移作用［3］，滑移本构取线性模型。模型选用长方形来模拟实际路面，不考虑地基的作用。模型的边界条件为：在纵向没有位移，CRCP板底面完全约束，AC层与CRCP层完全连续。本文的加载方式为矩形均布荷载，轮载压强为0.7 MPa，作用面积为0.15 m×0.15 m，双层结构，上层为100 mm沥青面层，E=1 200 MPa， u=0.35，下层为260 mm连续配筋混凝土基层，E=30 GPa，u= 0.15。建立的实际模型见图1。

图1 刚性基层复合式路面有限元模型

为了确定计算模型的板的尺寸，做了不同尺寸板试算，结果表明，仅当选用边长较小的板时，计算结果偏小达不到精度要求。若选用较大尺寸，比较耗费计算空间，因此确定模型的尺寸为6 m× 4.5 m，长边为行车方向。

2 计算参数分析

2.1 沥青层厚度的影响

在不改变其他参数的情况下，单独改变沥青层的摊铺厚度，通过计算来了解AC厚度对剪应力的影响，计算结果见表1。

表1 不同沥青层厚度下的层间应力计算结果

从图1中可以看出，随着沥青层厚度的增加，层间最大剪应力逐渐减小。沥青层从6 cm增加到8 cm时，最大剪应力减小了10.9%，层底拉应力减小了17.0%;从20 cm增加到22 cm时，最大剪应力减小了9.3%，层底拉应力减小了3.3%。由此可见，随着AC层厚度的增加，层间最大剪应力的变化幅度逐渐减小;沥青层层底拉应力也随着沥青层厚度的增加而逐渐减小，当沥青层厚度超过16 cm后，影响逐渐减弱。

2.2 沥青层弹性模量的影响

沥青是典型的粘弹塑性材料，对于温度变化相对水泥混凝土较为敏感，温度对沥青混合料弹性模量的影响很大，所以有必要在不同模量下分析层间剪应力的变化。计算结果见图2，其中H为沥青层厚度。

图2 层间最大剪应力与沥青层模量关系曲线

计算结果表明，层间最大剪应力随着沥青层模量的增大而减小，当模量小于3 000 MPa时，这种变化趋势较为缓慢。当路面温度升高，面层模量减小导致层间剪应力增大，但变化量小于0.004 MPa，对路面结构和CRCP的影响微弱。

2.3 荷载作用位置的影响

车辆在行驶过程中，车轮位置在路面的分布具有随机性，层间最大剪应力也会随着车辆在不同位置加速、转弯和刹车而具有随机性。因此，针对不同的荷载作用位置进行分析是很有必要的。

研究结果表明，层间剪应力与车辆的行驶状态有很大关系，车辆下坡紧急刹车或下坡急转弯情形下的层间最大剪应力是正常行驶状态下的3.4倍左右［4］，在本次加载中考虑水平力的影响，选取水平力系数fx=0.5，即水平力为垂直荷载的0.5倍。

分析时采用标准轴载BZZ-100，轮胎内压为0.7 MPa，单个轮压作用范围18.9 cm×18.9 cm，双轮间距32 cm，两侧轮系间距182 cm。作用位置选取为：

1纵缝边缘中部，2横缝边缘中部，3板角，4板中部。分析结果见表2。

表2 不同荷位下层间应力计算结果 MPa

计算结果表明：当荷载作用于板角时，层间剪应力最大，相应的主应力也最大，作用于横缝中部时的层间应力相对较小，纵缝中央次之，板中部最小。这也解释了在汽车刹车时，板角和横缝容易发生破坏。

3 结语

使用ANSYS有限元分析软件，分析了连续配筋复合式路面在不同位置的荷载作用下，层间最大剪应力以及主应力，分析了沥青面层厚度和在温度影响下面层模量对层间剪应力的影响，得出以下结论：

1)车辆荷载的作用位置对层间最大剪应力的出现位置及大小均有显著影响，荷载作用于板角时，层间剪应力及主应力均有最大值，建议施工过程中加强处理，防止冲断破坏;2)沥青面层的厚度对层间剪应力也有较大影响，施工中严格控制沥青混合料摊铺厚度，在满足设计要求的前提下尽可能的做到经济合理;3)沥青面层的模量对层间最大剪应力影响较小。

［1］ 黄 卫，钱振东.高等沥青路面设计理论与方法［M］.北京：科学出版社，2001.

［2］ 周永磊.寒冷地区连续配筋混凝土路面温度应力分析和配筋设计［D］.长春：吉林大学，2006.

［3］ 曹东伟.连续配筋混凝土路面结构研究［D］.西安：长安大学博士学位论文，2001.

［4］ 岳 鹏，田小波.刚柔复合式路面粘结层剪应力有限元分析［J］.交通标准化，2010(12)：63-67.