重载作用下沥青路面结构动态响应敏感性分析

张丽娟

(上海师范大学 建筑工程学院,上海 201418)

重载作用下沥青路面结构动态响应敏感性分析

张丽娟

(上海师范大学 建筑工程学院,上海 201418)

摘要:采用三维有限元动力分析模型,分析了重载移动作用下轴载重量、轴载速度、路面结构参数等因素变化,对沥青路面动态响应的影响.结果表明:路面动态响应随着轴重的增加呈线性显著增加;轴载速度对路面动态响应有一定的影响,路面结构动态响应随轴载速度的增加呈现先增加再降低的趋势,重载车辆以常见速度运行时,对路面结构产生的疲劳破坏影响显著大于静载产生的疲劳破坏;路面结构参数中,面层厚度对路表剪应力、路表竖向压应力影响特别显著,路基模量对路表弯沉、底基层拉应力、路基顶面压应变影响特别显著.

关键词:沥青路面; 重载; 动态响应; 敏感性; 有限元分析

0引言

沥青路面结构力学响应受到荷载、结构类型、结构组合和材料参数等多种因素的影响.目前,交通车辆高速、重载的特点日益显著,路面结构在实际动态重载作用下所呈现的力学性能通常与传统的静态模型之间存在较大差异[1],传统的静力学模式已不能合理地描述沥青路面结构动力响应对轴载、路面结构参数的敏感性.进行路面结构在重载作用下的动力响应参数敏感性分析、掌握路面结构响应对荷载参数和路面结构参数的敏感性具有较强的现实意义,有助于提高重载沥青路面结构的设计合理性、施工建设的科学性.

本文作者综合考虑重载轮胎接地压力和接地面积的变化规律,建立了Ansys三维有限元动力学模型,对移动重载作用下的半刚性基层沥青路面结构动力响应进行了计算,分析了路面结构动力响应对轴载参数和结构参数的敏感性.

1动力学分析理论基础

由于公路上高速通过的交通荷载属于典型的快速移动荷载,本研究采用了瞬态动力学分析(亦称时间历程分析)方法,基本运动方程是:

(1)

2路面结构三维有限元数值模型

2.1　荷载参数

在结构动力学分析中,对荷载的定义需要包括静态与动态两方面属性,前者主要是指荷载的大小、分布形式,而后者则为荷载动态变化规律与作用时间.

因为承担越重货物运输的车,统计上有采用高强高压轮胎的趋势.调查表明,比利时公式比较符合我国的具体情况,也比较合理地反映了随着轴载的增加,轮胎接地压力和接地面积的变化规律.所以荷载静态属性如式(2)所示[2],

(2)

(3)

式中:A为轮胎接地面积(单位:cm2);δ为轮胎接地面积当量圆半径(单位:m);P为每个轮胎所受的荷载(单位:kN);p为轮胎接地压力(单位:MPa).

大量的文献资料及实验结果表明[3],轮胎作用于路面的形状并非均布的圆形轮胎荷载模式,而是更接近于矩形,且随荷载的增加,矩形形状越明显.根据我国主要载重卡车的调查情况和保守原则(路面结构不利),本研究单轴双轮轮胎接地形状采用矩形,其宽度取22 cm[4].

由于大多数路面动态测试施加的是半波正弦荷载,一般的冲击荷载可简化为若干个半波正弦荷载的线性组合.对路面结构进行动力学特性研究时,通常采用如式(4) 所示的正弦分布荷载模拟作用于路面上的车辆荷载[5].

(4)

式中:Pmax为车辆每个轮胎所受的荷载峰值(kN);T为荷载作用周期(s),按式(5)计算.

(5)

式中:v为车辆行使速度(m·s-1);δ为轮胎接地面积当量圆半径(单位:m).

2.2　路面结构与材料参数

本研究以典型的半刚性基层+砂砾类垫层路面结构进行分析.考虑到冲击荷载持续时间较短,研究中将路面各结构层视为连续介质,各向同性线弹性材料.考虑到沥青混合料动态模量实验数据的再现性很差,做设计参数问题很大[6],又由于动态模量与静态模量之间存在一定的相关性,路面动力学计算中经常采用规范中推荐的静态参数[7].在计算结构力学中,对于一般土木工程结构,结构阻尼比一般范围为0.02~0.09[8].为方便分析比较,本研究统一取为0.05.具体的道面结构厚度和材料参数见表1.

2.3　有限元模型参数

沥青路面3-D有限元分析基于ANSYS有限元软件.选取八结点Solid45单元进行动力分析.为了减少边界效应的影响,对各关键点位动力响应最大值进行收敛性分析,最终确定最优平面几何尺寸为10 m×10 m,路基厚度取10 m.由于本结构模型与荷载均具有对称性,取1/4模型建模.

考虑到粘弹性人工边界条件设置需要花费较大的前处理时间,以及几何模型为10 m×10 m的固定边界条件下动力响应分析结果的良好收敛性,路面结构动力响应分析中采用固定边界条件设置.即路基底部(Z方向)采用完全固定约束、各结构层对称面施加对称约束、侧面(x方向即行车方向,y方向即道路横向)施加水平约束.

3计算结果与分析

综合重载沥青路面动力性能的相关研究资料,本研究主要针对沥青路面的疲劳破坏和车辙,采用路表弯沉、基层层底最大拉应力、沥青层最大剪应力、路基顶部最大压应变为指标来考察各个结构参数变化的敏感性.考虑路面结构材料疲劳方程中动力响应峰值对疲劳寿命的影响,本研究根据重载作用下沥青路面结构响应时程曲线及动力响应在路面结构中分布规律[9],取最不利位置的力学响应峰值进行研究.

3.1　轴重对动力响应影响的敏感性分析

为了考虑目前重载水平对路面结构性能的影响,综合国内轴载调查资料[10],本研究取单轴轴重范围为100~260 kN,每40 kN 为一荷载级位,以反映超载的影响.

图1给出了轴载以某一特定车速运行时,各动力响应参数随轴重增加而变化的情况.由图1可知:

(1) 轴重变化对各动力响应参数的影响显著,路表最大弯沉、基层底部最大拉应力、面层表面最大剪应力、路基顶部最大压应变均随着轴重的增加而近似线性显著增加,这符合本研究假定的材料弹性力学变形规律.

(2) 路表弯沉是路面各结构层(包括土基)各自变形的综合结果,反映了路面整体承载能力高低和使用状况.由图1(a)可知,当轴载均以交通车辆常见速度80 km/h速度运行时,轴载从标准轴载100 kN增加到180 kN(轴载超限了80%),最大动态弯沉增加了87.6%;轴载从标准轴载100 kN增加到220 kN(轴载超限了120%),最大动态弯沉增加了173.4%.重载作用下路表弯沉过大,意味路面整体结构强度显著降低,路面结构易产生开裂、沉陷、车辙等病害.因此重载交通是造成路面破坏尤其是路面早期损坏的主要原因之一,导致路面结构使用寿命缩短.

(3) 由图1(b)可知,在重载260 kN作用下,基层底部拉应力为0.15 MPa.现行《公路沥青路面设计规范》(2006)中半刚性基层材料的劈裂强度变化范围为0.25～0.35 MPa之间,说明在目前的重载水平和路面结构条件下,容许拉应力σR仍远大于基层中出现的弯拉应力.所以在目前国内的重载交通水平下,极限荷载一次作用导致路面基层开裂的现象基本不会发生,半刚性基层、底基层在拉应力的作用下仍以疲劳开裂破坏为主.传统的基层开裂后扩展到路面面层的病害类型,仍是重载交通条件下沥青路面的主要损害类型之一.

(4) 由图1(c)可知,在重载(260 kN)作用下,沥青层最大剪应力约0.26 MPa.同济大学根据贯入法测得沥青贯入强度和抗剪强度之间的联系,认为重交沥青的混合料抗剪强度在0.27~0.5 MPa间,PG70改性沥青混合料在0.5~0.6 MPa间,PG76-28的改性沥青混合料抗剪强度可达0.8 MPa[11].因此,为了避免沥青面层出现一次性剪切破坏,建议重载路面沥青混合料采取改性沥青.

(5) 由图1(d)可知,轴载增加,路基顶部压应变迅速增加.以交通车辆常见速度80 km/h速度为例,轴载从标准轴载100 kN增加到260 kN(轴载超限了160%),路基顶部压应变(ε)从127.3×10-6增加至334.4×10-6,增加了163%.基于“力学-经验法”进行路面结构设计时,通常采用路基顶部竖向压应变控制土基顶面的变形和破坏.重载作用下,路基顶部压应变增加过大,将会降低路面结构整体承载能力,引起路面结构早期损坏.

3.2　车速对动力响应影响的敏感性分析

为了考虑目前行车速度对路面结构性能的影响,综合国内干线公路典型车速调查资料[12],本研究将车速范围取为0~120 km/h,每20 km/h 为一速度等级,以反映车速对路面结构动力响应的影响.

图2给出了特定重量轴载作用下,各动力响应参数随车辆速度的变化情况.

由图2可知:(1) 车速对路面结构动力响应具有一定的影响,但影响程度不及轴重变化产生的影响.随着车速的增加,路表最大弯沉、基层底部最大拉应力、面层表面最大剪应力、路基顶部最大压应变均随之增加;车速增至60 km/h时,各动力响应参数达到最大值.例如轴重为220 kN时,车速从静止增加到60 km/h时,路表弯沉增大12.1%,基层底部最大拉应力增大8.3%,面层表面最大剪应力增大10.6%,路基顶部压应变增大5.1%.随着车速的进一步增加,各动力响应有所降低,车速增至120 km/h时,各动力响应峰值已小于静载产生的响应值.(2) 重载交通调查结果表明,重载交通渠化交通特征显著,重型运输车辆多在行车道运行,其常见车速在50~80 km/h之间[12].由图2可知,重车以该车速运行时,路面结构的动力响应峰值最大,此时荷载对路面的破坏作用最为严重.由于此时产生的各动力响应均明显大于静态荷载下的力学响应,沥青混合料和半刚性材料的疲劳寿命与承受的弯拉应力在对数坐标上负线性相关,因此重载以常见车速行驶时,路面结构疲劳寿命较静载作用时会显著缩短.若采用规范中的静态荷载模式进行重载沥青路面结构设计,会导致沥青路面结构过早出现疲劳破坏,使用寿命远远达不到设计年限.

3.3　路面结构参数对动力响应影响的敏感性分析

3.3.1正交试验分析

根据已有研究资料,对路面荷载应力影响显著的因素在路面结构参数主要包括面层厚度、面层和基层的弹性模量、路基的回弹模量,本研究将其取为正交试验的因素,不考虑各因素之间可能存在的交互影响,认为各因素相互独立,对每个因素分别设定4个考查水平,因素与水平组合见表2.对表1中的路面结构,选用数理统计正交表L16(45)安排试验参数组合,进行以动力响应峰值为指标的多因素显著性计算分析,正交分析方案见表3.在计算过程中,轴载仍选取220 kN轴重、车速为60 km/h.

采用方差分析法中对正交试验结果进行分析,并根据因素的均方之比F值与不同显著性水平下的F临界值之间的关系,确定因素水平的改变对动力响应指标的影响程度.分析结果见表4.

由表4可知,面层厚度对路表剪应力、路表竖向压应力影响特别显著,对基底拉应力、路基顶面压应变影响显著;路基模量对路表弯沉、基底拉应力、路基顶面压应变影响特别显著;面层模量、基层模量除了对路表竖向压应力指标影响显著外,对其余路面动力响应指标均无显著影响.考虑到沥青路面材料抗压性能较好,路面发生受压破坏的情况较少,因此针对半刚性基层沥青路面结构进行动力响应分析时,可以弱化面层模量、基层模量的影响,重点考虑面层厚度、路基模量的影响.

3.3.2考察位级趋势法

采用考察位级趋势法进一步分析面层厚度、路基模量对路面动力响应的影响趋势.其中,因素的水平作横坐标,用因素的水平导致的结果平均值为纵坐标,形成水平趋势折线,结果见图3.

从图3(a)可知,随着面层厚度的增大,路表剪应力、路表竖向压应力均显著下降.对于表1所示路面结构,面层厚度每增加3 cm,路表剪应力减小约4%、路表竖向动压应力减小约5%.因此,增加沥青面层厚度,可有效降低其面层处剪应力、竖向压应力值,从而减缓重载引起的沥青面层压密变形、剪切变形、严重辙槽等破坏程度.

从图3(b)可知,随着路基模量的增大,路基顶面压应变、底基层拉应力、路表弯沉均显著下降,对于表1路面结构,土基模量由 30 MPa 增加至 50 MPa,路基顶面压应变减小约 11%,底基层拉应力减小约 18%,路表弯沉减小约28%.说明对于重载沥青路面结构,提高其路基强度,将会显著增强路基、路面结构在重载作用下的抗变形能力,增强沥青路面结构的抗疲劳破坏性能,避免路面过早出现破坏.

4结语

(1) 基于瞬态动力学分析方法,利用半波正弦荷载模拟动态轴载,并考虑重载轮胎接地压力和接地面积的变化规律,采用Ansys通用有限元软件,建立了沥青路面结构三维有限元动力学模型,可以较好地模拟重载动力作用下沥青路面结构动力响应对轴载参数和结构参数的敏感性.

(2) 以半刚性基层+砂砾类垫层路面结构为例,分析了各动力响应参数随轴载参数增加变化的规律.结果表明,各动力响应值随轴重变化的增加而近似线性显著增加,重载会显著增加沥青路面路面疲劳破坏.半刚性基层、底基层的疲劳开裂破坏仍是重载交通条件下沥青路面的主要损害类型之一.为了避免沥青路面材料极限剪切强度不足,出现一次性剪切破坏,建议重载路面沥青混合料采取改性沥青.

(3) 车速对路面结构动力响应具有一定的影响,但影响程度不及轴重.重载在常见车速运行时,产生的各动力响应均明显大于静态荷载下的力学响应,对路面结构疲劳寿命缩短的影响不可忽视.

(4) 在重载作用下,增加沥青路面厚度,可有效降低路表剪应力、竖向压应力,从而减缓重载引起的沥青面层压密变形、剪切变形、严重辙槽等病害的破坏程度;提高其路基强度,可显著降低路基顶面压应变、底基层拉应力、路表弯沉值,从而明显增强路基、路面结构在重载作用下的抗变形能力,提高沥青路面结构的抗疲劳破坏性能,避免路面过早出现破坏.

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(责任编辑：顾浩然)

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Sensitivity analysis of asphalt-pavement structuredynamic responses under heavy loadZHANG Lijuan

(College of Civil Engineering,Shanghai Normal University,Shanghai 201418,China)

Abstract:With the 3-Dimensional finite-element dynamic model,the influence of axis-load,axis-speed,and pavement structure parameters on dynamic performance of pavement structure is studied.The results show that with the increase in load,the dynamic response of pavement is nearly proportional to axis-load and increases noticeably;Axis-speed influences the dynamic response to some extent.With the increase of axis-speed,dynamic response of pavement structure increases firstly.With axis-speed further increasing,dynamic response of pavement structure then decreases gradually.For fatigue failure,the influence of heavy-load with common moving speed is much greater than that of static load.Among the pavement structure parameters,thickness of surface-layer has a significant effect on shear stress and the compression stress at road surface.Subgrade modulus has a significant effect on road surface deflection,tensile stress at the bottom of subbase,and compression-strain at the top of subgrade.

Key words:bituminous pavement; heavy load; dynamic response; sensitivity analysis; asphalt pavement

通信作者:张丽娟,中国上海市奉贤区海思路100号,上海师范大学建筑工程学院,邮编:201418,E-mail:zhanglj@shnu.edu.cn

基金项目:上海师范大学一般科研项目(A-3101-12-001047)

收稿日期:2014-05-10

中图分类号:U 416.217

文献标志码:A

文章编号:1000-5137(2015)02-0138-08