基于动荷载仿真的路面结构响应分析

侯静

（天津城建大学 土木工程学院，天津 300384）

基于动荷载仿真的路面结构响应分析

侯静

（天津城建大学 土木工程学院，天津 300384）

针对货车动荷载作用下路面结构力学响应及路面设计指标变化规律，应用ABAQUS有限元软件建立相应三维路面结构模型及动荷载模型进行动态模拟，并通过现场试验验证了模型的可靠性，对路表弯沉和各结构层层底应力情况进行计算，分析不同车速、平整度和路面结构参数对路面结构力学响应的影响，得到车速、平整度和路面结构参数对路面力学响应的影响规律，可以为路面结构设计和道路施工养护提供理论指导．

动荷载；平整度；动态模拟；有限元

近年来，随着国家高等级道路和经济货运流通的快速发展，出现越来越多高速、密集、超载车辆，加大了对路面结构损伤程度，严重影响行车舒适性，使道路提前进入保养修护，导致整条道路甚至整个路网运行效率低下，造成不良社会影响和经济损失．基于现场试验，对货车动荷载作用下路面结构力学响应及路面设计指标变化规律进行有限元模拟分析，可以更好模拟实际道路受力情况，为路面结构设计和道路施工养护提供理论指导．笔者采用多层弹性路面结构，建立了相应的车辆动荷载模型和路面结构模型，并对路面结构力学响应规律进行了模拟研究．

1 动荷载有限元模拟

1.1 荷载模型及参数

采用连续的半波正弦曲线作为动力加载函数来模拟实际汽车荷载，其表达式为：

式中：P0为车辆静载，取车辆单边轮载，单位kN；P为振动荷载幅值，，M0为车辆模型簧下质量，为振动圆频率，， 为车速，L为路面几何曲线波长，为路面几何不平顺失高（按国际高速公路平整度指数取值）．满载30 t（超载42 t）三轴货车其具体荷载计算参数如表1[1-2]．

1.2 路面结构模型及参数

基于弹性层状体系理论，对沧州市典型省道路面结构进行模拟分析，试验道路采用沥青混凝土道路模型，其尺寸分别为长（Z方向）8m、宽（X方向）8m、高（Y方向）5m；车速取现场试验车辆所测实际车辆的速度；单侧双轮轮胎当量接触面积为0.24m2，轮胎接地压力为0.7 MPa；平整度为现场所测实际道路平整度值15mm/3m，路面结构和相应材料参数如表2[3-4]（车辆动荷载作用下路面结构层材料模量变化较小，故采用静态弹性模量，取值采用同类路面结构材料试验测值），建立的有限元路面结构模型如图1所示．

表1 荷载计算参数Tab.1 Load calculation parameter table

图1 路面结构模型Fig.1 Pavementstructuremodel

表2 路面结构材料参数Tab．2 Pavementstructurematerialparameters

2 路面结构响应分析

2.1 不同车速下的路面结构响应

分别计算不同行车速度下路表弯沉最大值和基层层底拉应力最大值的变化情况，如图2、图3所示．

图2 不同车速下路表弯沉Fig.2 Deflection changesunder differentspeeds

图3 不同车速下层底拉应力Fig.3 Stressunder Differentspeeds

由图2可以看到在较低速度时，路表弯沉值随车速增长而降低，随着速度继续增大时，弯沉相应增加，但增大到一定程度后就基本保持平稳起伏，没有太大的增减变化，相对于低速时的表现要稳定得多．

由图3可以得随着车速的增加尽管低速时拉应力有一些起伏，从整体来说还是减小的，但减小的幅度较小，只有10.1%．主要原因是在较平顺道路上，汽车行驶所产生的冲击作用处于较低水平上，尽管动荷载随着速度增加有相应的变化，对面层应力作用较显著，但对基层处应力变化作用较小，即在较平整道路上车辆行驶速度对基层底拉应力的影响作用不大[5]．

2.2 不同平整度下的路面结构响应

平整度等级选取平整度u为2mm、5mm、15mm、20mm、40mm、80mm，计算一定车辆行驶速度（40 km/h）下的路表最大弯沉值和基层层底最大拉应力值如图4、图5所示．

由图4可以看到路表弯沉随着道路平整度的增大而变大，基本呈线性增长趋势，但其增长的幅度较大，前后增长了320%．主要原因在于路面平整度差时会增加车辆对路面的冲击作用和与路面相互作用的振动接触次数，进而对路面的弯沉作用会更大，所以保持较平顺的道路平整度对于车辆对道路损伤破坏作用至关重要，故道路平整度是一个需要高度重视的影响因素．

由图5可以看到基层底最大拉应力随着平整度值增大逐渐增大，且增长幅度较大，在u=80 mm时较u=2mm时拉应力增长了66.6%，可见平整度的大小对基层底拉应力值有很大的影响作用，保持道路的平顺可以有效地降低道路基层结构损伤破坏．

图4 不同平整度下路表弯沉Fig.4 Deflection under different flatnessvariation

图5 不同平整度下层底拉应力Fig.5 Stressunder different flatness

3 路面结构参数影响分析

3.1 各结构层厚度变化分析

对表2路面结构材料参数中各结构层厚度依次进行改变，每次都只改变一层的厚度，其他层厚度和其他材料参数保持不变，且每层结构都会由大到小线性原则改变3种厚度，具体的厚度设置参照表3所示，然后分别计算各结构层不同厚度时的路表最大弯沉和面层、基层底最大拉应力值的变化，如表4所示．

表3 厚度取值Tab．3 Thickness values

表4 厚度改变引起的变化Tab．4 Changes caused by thickness variation

通过表4的计算数据可以看到每一结构层厚度的增加都可以减小路表最大弯沉值，但减小的幅度不一样，两层二灰碎石基层对路表最大弯沉的影响最为明显，主要是因为基层材料的模量相对较大且厚度基数比较大，所以其厚度的变化对路表的弯沉影响最大，然而罩面和面层厚度的增加对降低路表弯沉效果不大，不能作为降低控制路表弯沉的措施，同时从经济角度考虑通过增加上面层厚度的方法来减小路表弯沉造价太高，是不经济的措施，不适宜过大增加面层结构厚度来抵抗路表弯沉变形．

对于面层底最大拉应力，虽然增加各结构层厚度都可减小拉应力，但改变罩面和沥青面层厚度效果较明显，尤其沥青面层增加自身厚度可以有效降低自身层底最大拉应力；对于基层底最大拉应力，增加各层结构厚度都可以减小拉应力，但两层二灰碎石基层厚度的增加对减小拉应力作用最大，同样也证明了增加本层厚度可以有效减小本层底最大应力值[6-7]．

3.2 各结构层弹性模量变化分析

对表2路面结构材料参数中各结构层材料弹性模量依次进行改变，每次都只改变一层材料的弹性模量，其他层材料弹性模量和参数保持不变，且每层结构材料弹性模量都会由大到小按照线性原则改变3种数值，具体的弹性模量设置参照表5所示，分别计算各结构层材料不同模量时的路表最大弯沉和面层、基层底最大拉应力值如表6所示．

通过表6所示的各结构层材料的模量变化对路表最大弯沉值和层底最大拉应力的影响可以得到，增加各结构层材料的弹性模量都可以减少路表最大弯沉值，其中土基弹性模量对减少路表弯沉值效果最明显，主要原因是相对于路面各层结构厚度来说土基层厚度很大且位于最底层，可以有效的承载扩散上部传来的弯沉效果；其次是基层材料，虽然可以有效减小路表弯沉，但减小的幅度不大且随着基层模量增大到一定程度，路表弯沉减少的速度就明显变慢．可见适当的提高路基弹性模量是减小路表弯沉的最有效办法．

对于层底最大拉应力：增加罩面材料弹性模量，可以分别减小面层、基层底最大拉应力值；增加沥青面层材料弹性模量，面层底最大拉应力增大，基层底最大拉应力值减小；增加二灰碎石基层材料弹性模量，面层底最大拉应力减小，但幅度不大，基层底最大拉应力值增大，特别是达到1 600MPa时，基层底拉应力增大很快；增大土基弹性模量，面层底和基层底最大拉应力均减小．由此可以总结为路面结构中任一层结构材料弹性模量增加，本层及上层底最大拉应力值会增大，其余层底拉应力随之减小．增加土基的弹性模量是减小路表最大弯沉值最有效的措施，同时各层的最大拉应力均有所降低，考虑到土基加固处理的经济费用问题，在土基上部适当的加固以提高土基模量对于提高道路的整体寿命是非常有必要的；同样的基层材料模量也需要控制在一定范围内，不能太高也不能太低．

表5 弹性模量取值Tab．5 Elastic Modulus

表6 模量改变引起的变化Tab．6 Changes inmodulus

3.3 各结构层泊松比变化分析

同一结构层选用不同泊松比的材料，对动荷载作用下的路面结构响应会有一定的影响，因此需要对各结构层泊松比变化进行分析．对表2路面结构材料参数中各结构层泊松比依次进行改变，每次都只改变一层的泊松比值，其他层泊松比和其他材料参数保持不变，且每层结构按照大到小原则改变3种泊松比，具体的泊松比设置参照表7所示，然后分别计算各结构层取不同泊松比时的路表最大弯沉和面层、基层底最大拉应力值的变化，如表8所示．

表7 泊松比取值Tab．7 Poisson's value

通过表8可以看到各结构层材料的泊松比变化都会对路表最大弯沉值产生影响，但影响的规律和幅度不一样：罩面、面层和土基材料泊松比的增加可以减小路表最大弯沉值，尤其是土基泊松比的增加对最大弯沉值影响显著；相反的增加基层材料泊松比会使路表最大弯沉小幅度增大．

对于层底最大拉应力，增加罩面材料泊松比，面层底和基层底最大拉应力都有相应的减小；增加沥青面层泊松比，面层底最大拉应力有所增加，而基层底最大拉应力变化不大；增加基层材料泊松比，面层底和基层底的最大拉应力都随之增加，且基层底拉应力增加幅度较大；增加土基泊松比，面层底拉应力增加，基层底最大拉应力减小，且减小幅度较大．由此可见基层材料泊松比不宜过大，否则会导致面层底和基层底拉应力过大，在设计时要严加控制[8-9]．

表8 泊松比改变引起的变化Tab．8 Changes in poisons

4 结论

1）不同行车速度下，路表弯沉值表现不一，整体来说处于高速时路表弯沉值较小且变化平稳；不平整度对路表弯沉影响较大，随着不平整度值的增大，弯沉值大幅增加，所以保持路面平顺是避免道路过大弯沉量的必要措施．

2）随着行车速度的提高，层底拉应力保持平稳的减小趋势；与路表弯沉一样，不平整度对层底拉应力的影响也很显著，随着不平整度值的增大，基层底拉应力显著增大，增幅达到66.6%，所以保持路面平顺对于减小道路层底拉应力也至关重要，需要高度重视．

3）通过路面结构参数的变化对道路力学分析可以得到：增加各层厚度都可以有效减少路表最大弯沉和层底最大拉应力值，尤其是基层材料厚度的增加效果比较显著，且从经济效益方面考虑，适当增加基层厚度比增加面层厚度更加经济有利；增加各层材料的弹性模量都可不同程度的减小路表最大弯沉，但对层底拉应力的影响比较复杂，综合考虑通过提高土基模量来减少路表弯沉和层底最大拉应力是最有效的措施，其次适当提高基层材料模量也可以提升道路整体承载抗变形能力；泊松比对道路力学影响比较明显，除了基层材料泊松比会增加路表弯沉外，罩面、面层和土基泊松比的提高都会减少路表弯沉，而且增加基层泊松比还会导致面层底和基层底最大拉应力的增大，综合之后得到结论土基泊松比可以适当提高，对减少路表弯沉和层底拉应力有利，相反要控制基层材料泊松比，防止造成过大层底拉应力和路表弯沉量．

[1]邓学钧，张登良．路基路面工程 [M]．北京：人民交通出版社，2004．

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[5]周长峰，孙蓓蓓，孙庆鸿．铰接式自卸车悬架系统动力学建模与仿真 [J]．汽车技术，2004，35（9）：15-18．

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[9]JTGD50-2006，公路沥青路面设计规范 [S]．北京：人民交通出版社，2006．

[责任编辑 杨 屹]

Pavementstructuralmechanicsbased on the dynamic load simulation

HOU Jing

(Schoolof Civil Engineering,Tianjin Chengjian University,Tianjin 300384,China)

Forpavementresponseand impactanalysisof theproblem under trucksdynam ic load,the corresponding threedimensionalmodelof the pavementstructureand dynam ic loads dynamic simulationmodel with theapplication of ABAQUS finite elementsoftwarewere established.The reliability ofmodelwas verified through the field test;the deflection and layersstress situationsof the roadwascalculated;and parameterson themechanical response of pavementstructure wasanalyzed;The speed,flatness,and road load parameterson pavement responseswere studied so that itcan provide a theoreticalguidance for the pavementdesign and road constructionmaintenance.

dynamic load;flatness;dynam ic simulation;finite element

U416.217

A

1007-2373(2016)01-0114-05

10.14081/j.cnki.hgdxb.2016.01.021

2015-07-06

河北省科技计划项目（12217636）

侯静（1976-），女（汉族），讲师．