重载交通作用下沥青路面动剪应力分析

张 丽 娟

(上海师范大学建筑工程学院，上海 201418)



重载交通作用下沥青路面动剪应力分析

张 丽 娟

(上海师范大学建筑工程学院，上海 201418)

基于动力学分析理论基础，并利用ANSYS软件，建立了三维动力有限元模型，研究了重载作用下半刚性基层沥青路面结构内剪应力的动态响应和分布规律，分析了重载路面受剪破坏的机理，以供参考。

沥青路面，重载交通，动力响应，受剪性能

1 动力学分析理论基础

根据瞬态动力学分析方法：

(1)

2 路面结构三维有限元数值模型

2.1 荷载参数

根据比利时公式，轮胎接地压力和接地面积的随轴载增加的变化规律如下[1]：

A=0.008P+152

(2)

(3)

其中，A为轮胎接地面积，cm2;δ为轮胎接地面积当量圆半径，m;P为每个轮胎所受的荷载，kN;p为轮胎接地压力，MPa。

采用正弦分布荷载模拟车辆荷载[2]：

P(t)=Pmaxsin(πt/T)

(4)

其中，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)

其中，v为车辆行驶速度，m/s；δ为轮胎接地面积当量圆半径，m。

2.2 路面结构与材料参数

将路面各结构层视为各向同性线弹性材料。具体的路面结构厚度和材料参数见表1。

表1 路面结构组成及材料参数

2.3 有限元模型参数

基于ANSYS有限元软件，选取八结点Solid45单元进行动力分析。确定最优平面几何尺寸为10m×10m，路基厚度取10m。路面结构动力响应分析中采用固定边界条件设置。考虑到对称性，取1/4模型建模。

3 重载作用下动力响应在路面结构中分布规律

根据我国轴载分布规律，本文选取计算荷载参数为：单轴双轮轴载220kN，行驶速度为60km/h。其中点0，0.5，1，2，3，4位于轮隙中心正下方，b0，b0.5，b1，b2,b3，b4为轮载中心正下方各点，分别位于路表、面层中部、面层底部、基层底部、垫层底部、路基顶部以下3m处。a,b,c,d,e位于路表，距轮隙中心处分别为0.05m，0.17m，0.29m，1.47m，2m。

动载作用下的剪应力如下：

1)纵向剪应力。纵向剪应力使沥青混合料发生纵向流动变形,严重时发生裂纹、壅包等破坏;横向剪应力使沥青混合料发生横向流动变形,产生车辙等破坏。

图1为轮载中心正下方各点纵向剪应力时程曲线。图2为轮载中心正下方各点纵向剪应力峰值沿深度变化曲线。图3为路表各点纵向剪应力时程曲线。图4为路表各点纵向剪应力峰值沿横向变化曲线。

由图1，图2可知，纵向剪应力在沥青面层表面达到最大值(约为200kPa)，随着深度增加，开始出现衰减，在面层底面，纵向剪应力值减小至92.1kPa，说明沥青面层都处于较高的纵向剪应力作用下。在半刚性基层和路基结构中，纵向剪应力随深度的增加迅速减小，在路基顶面(点b3处)剪应力已减小到很小的值。

由图3,图4可知，沿路表横向方向，轮隙中心位置处(0点)，纵向剪应力值较小，随着与轮隙中心的距离增大，至轮载作用区域时，纵向剪应力呈现先增大后减小的趋势，在轮载作用面中心处(b点)纵向剪应力值最大，约200kPa。横向距离增大至距轮隙中心点0.68 m处，正向剪应力出现反方向最大值，约为30 kPa，随着与加载面距离的进一步增大，正向剪应力逐渐减小，距0点1.5 m处，衰减为0。所以对于纵向剪应力，其最不利位置为面层表面轮载中心处。

2)横向剪应力。图5为轮隙中心正下方各点横向剪应力时程曲线。图6为轮隙中心正下方各点横向剪应力峰值沿深度变化曲线。

由图5，图6可知，与纵向剪应力相似，横向剪应力在沥青面层表面达到最大值(约为241.6 kPa)；在面层结构内，横向剪应力随深度的增加迅速减小，在中面层位置，横向剪应力为94.6 kPa，在下面层底部，横向剪应力衰减为13.6 kPa(结构1)，在半刚性基层及路基内，剪应力已减小到很小的值。

图7为路表各点横向剪应力时程曲线。图8为路表各点横向剪应力峰值沿横向变化曲线。由图7，图8可知，沿路表横向方向，轮隙中心位置处(0点)，横向剪应力值最大(约为241.6 kPa)，随着与轮隙中心的距离增大，横向剪应力迅速减小，至轮载作用区域左边缘时(a点)，横向剪应力方向已发生改变，数值也较小。在轮载作用面中心处(c点)，横向剪应力已达到反方向的最大值(约为115.4 kPa)，但仍远小于轮隙中心处的剪应力值。随着横向距离的进一步增大，横向剪应力值逐渐减小，距0点1.5 m处衰减为0 kPa。

4 结语

对剪应力计算结果表明，重载车辆反复作用下，面层不同深度内存在较大的剪应力。在重载220 kN作用下，本结构沥青层最大剪应力约0.24 MPa，重交沥青的混合料抗剪强度在0.27 MPa～0.5 MPa之间，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。

[1] 黄文元,王旭东,孙立军.公路超载特征及重载沥青路面交通量参数[J].公路,2003(5)：56-57.

[2] 黄仰贤.路面分析与设计[M].北京:人民交通出版社,1998.

Analysis of asphalt pavement dynamic shear stress under heavy load traffic

Zhang Lijuan

(ArchitecturalEngineeringSchool,ShanghaiNormalUniversity,Shanghai201418,China)

Based on dynamic analysis theoretical basis, and using ANSYS software, this paper established the three-dimensional dynamic finite element model, researched the dynamic response and distribution law of semi rigid base asphalt pavement structure inner shear stress under heavy load role, analyzed the shear failure mechanism of heavy load road, for reference.

asphalt pavement, heavy load traffic, dynamic response, shear performance

1009-6825(2016)32-0163-02

2016-09-06

张丽娟(1978- )，女，博士，讲师

U416.217

A