胎压对沥青路面结构力学响应的影响

赵桂香 韩霄鹏

摘要：轮胎的胎压不同，接地形状也不同，而且随着胎压的变化，接地压力也有较大的变化。为了分析胎压变化对沥青路面结构力学响应的影响，采用三维有限元模型Ansys对沥青路面路表弯沉与基层层底弯拉应力进行分析，并与Bisar3.0结果进行比对。结果表明胎压变化会显著影响路面结构的受力状态。

关键词：沥青路面；力学响应；三维有限元模型；胎压

沥青路面设计规范采用双圆垂直均布荷载BZZ-100（胎压为0.7Mpa）为计算荷载。但是随着重型货车的增多，轮胎的胎压也越来越大，若还是按照规范的0.7Mpa进行沥青路面结构厚度的设计及结构力学响应的验算，会有较大的出入[1-3]。为了更真实的接近路面实况，分析胎压变化对沥青路面结构受力的影响，利用Ansys分析沥青路面结构在不同的胎压形式下轮隙弯沉与基层层底弯拉应力的变化，并与Bisar3.0计算结果进行了对比分析。

1 计算参数的选取

1.1 轮胎接地面积与形状

随着胎压的增大或减小，轮胎的接地面积是有变化的，但是变化量并不会太明显[4]，而且也缺少相应的试验数据。因此，可以不考虑接触面积的减少，轮胎的接地形状拟为矩形荷载，不计及接地面积的变化。

1.2 轮胎的接地压力

轮胎作用于路面结构的接地应力分布在不同负荷、不同胎压时是各不相同的。轮胎在额定荷载或正常胎压的作用下，作用面内的垂直压力在胎面的宽度及长度方向变化不太明显，两方向都近似均匀分布[5]。为了分析在不同的胎压作用下沥青路面结构的力学响应，从而了解胎压的不同对路面结构的影响究竟有何区别。因此，依据有关文献资料的试验和分析数据，本文将车辆荷载对路面结构的作用力分布形式假定为近似均匀分布。

2.路面结构及计算模型

2.1 计算用路面结构

计算用路面结构采用6层弹性层状体系，路面结构形式为18cm沥青混凝土面层+20cm水泥稳定碎石基层+27cm二灰底基层+土基。

2.2 有限元计算模型

利用三维有限元模型ANSYS分析不同胎压作用对沥青路面结构表面弯沉及层底弯拉应力的影响，模型尺寸取为6m×6m×6m，其中x轴为横向坐标（路面横向），y轴为竖向坐标（深度方向），z轴为纵向（行车方向）。荷载作用面积为188.8mm×188.8mm，并将荷载作用处的网格局部细化，远离荷载的位置网格逐渐变粗。模型的约束条件为：模型的底部位移全部约束，左右两个与z轴平行的面无x方向的位移，前后两个与y轴平行的面无y方向的位移，结构层间完全连续。其计算模型如下图所示：

3计算结果及分析

3.1路面弯沉

图1为轮隙中心处弯沉值的变化图。随着胎压的增大，接地面积逐渐减小，相应地单位面积上的载荷逐渐增大，对路表弯沉的影响就越大。从图中可以看出，轮隙弯沉值呈现线性增大的趋势，当胎压由0.7Mpa增大到1.2Mpa时，最大弯沉值增加了约70%。

Bisar计算的轮隙弯沉较Ansys计算的弯沉值约大一倍，这种现象可能与荷载作用形状的不同有关。Bisar程序加载采用的是双圆垂直均布荷载，而Ansys程序则采用更接近于轮胎接地形状的矩形，这也说明了我国沥青路面设计规范采用双圆垂直均布荷载计算出的表面弯沉较为保守。

3.2 基层层底弯拉应力

一般认为，基层层底弯拉应力是路面结构产生疲劳破坏的主要原因，拉应力也是产生各种裂缝的主要原因。图2为基层层底弯拉应力随胎压的变化图。从图中可以看出， 当胎压由0.7Mpa变化到1.2Mpa时，基层层底弯拉应力分别由0.012Mpa、0.022Mpa达到了0.017Mpa、0.038Mpa，分别增长了41.67%、72.73%这表明胎压的变化会显著地影响基层的应力分布状态。当层底弯拉应力超过材料的极限弯拉应力时，就会引起基层开裂。

4.结论

（1）随着胎压增大，轮隙弯沉值线性增大，当胎压由0.7Mpa增大到1.2Mpa时，最大弯沉值增加了约70%。这说明沥青路面结构设计荷载采用0.7Mpa偏危险。

（2）当胎压由0.7Mpa变化到1.2Mpa时，基层层底弯拉应力分别由0.012Mpa、0.022Mpa增长至0.017Mpa、0.038Mpa，增長率分别为41.67%、72.73%，这表明胎压的变化会显著影响基层的应力分布状态。当层底弯拉应力超过材料的极限弯拉应力时，就会引起基层开裂。

参考文献

[1] 胡小弟，孙立军. 沥青路面结构在非均布荷载作用下的三维有限元分析[J]. 长安大学学报（自然科学版）， 2003， （6）： 1167-1170.

[2] 黄庆泓，季天剑. 非均布荷载作用下沥青路面的力学响应研究[D]. 南京：南京航空航天大学， 2008.

[3] 谢水友，郑传超. 轮胎接触压力对沥青路面结构的影响[J]. 公路， 2004， 1（24）：12-16.

[4] 胡小弟，孙立军.不同车型非均布轮载作用力对沥青路面结构应力影响的三维有限元分析[J].公路交通科技，2003.

[5] 胡小弟. 轮胎接地压力分布实测及沥青路面力学响应分析[D]. 上海：同济大学，2003.