沥青混凝土路面裂缝修补组合结构的建模分析

池 漪尹 健

（1湖南交通职业技术学院 路桥工程学院，湖南 长沙 410132；2中南林业科技大学 土木工程与力学学院，湖南 长沙 410004 ）

沥青混凝土路面裂缝修补组合结构的建模分析

池 漪1尹 健2

（1湖南交通职业技术学院 路桥工程学院，湖南 长沙 410132；2中南林业科技大学 土木工程与力学学院，湖南 长沙 410004 ）

采用MIDAS软件进行沥青混凝土路面裂缝修补材料的建模分析。研究了最不利加载情况下裂缝修补处竖向变形、横向变形、横向正应力、纵向正应力云图。根据沥青混凝土路面的裂缝修补材料的建模分析结果，可以从理论上初步估计该修补材料与沥青混凝土基材的相容性较好，其应力和应变及其相关指标可以满足沥青混凝土路面最不利加载工况，研究结果对工地应用具有一定的指导意义。

建模分析；裂缝修补；沥青混凝土路面；组合结构

1 引 言

沥青路面已成为我国公路路面的主要形式。而沥青路面开裂这种沥青路面主要的病害仍然是各国道路界普遍关心的问题。美国的科学家曾经说过，我们可以把人送入太空，却不能阻止路面开裂，可见解决裂缝问题的难度。根据实际沥青路面裂缝修补结构的形式，应用有限元方法，研究车辆、温度等荷载作用下裂缝内部最不利受力位置及其大小，为沥青路面裂缝修补技术提供理论依据和技术指导[1,2]。

2 模型的建立

图1 边界条件

采用MIDAS软件进行沥青混凝土路面裂缝修补材料的建模分析。将沥青混凝土路面的裂缝修补问题简化为平面应变问题，在路面上截取其中一块采用实体单元模型进行分析。模型建立单元数为35640，节点数为40535。

边界条件建立如图1所示。

将AB、CD截面节点纵向位移设置为0，AD、BC截面节点横向位移为0，路面和路基之间的作用采用土弹簧模拟。

沥青混凝土裂缝修补体系为开槽20mm×20mm后填缝处理的情况。

考虑最不利的加载情况，工况采用四种组合方式对沥青混凝土裂缝修补体系进行模拟：组合一：自重+裂缝处单侧汽车轮压+整体升温40℃，组合二：自重+裂缝处单侧汽车轮压+整体降温10℃，组合三：自重+整体升温40℃，组合四：自重+整体降温10℃。

3 计算结果与分析

图2～图17分别为四种组合方式作用下裂缝修补处竖向变形、横向变形、横向正应力、纵向正应力云图。

图2 组合一裂缝修补处竖向变形云图

图3 组合一裂缝修补处横向变形云图

图4 组合一裂缝修补处横向正应力云图

图5 组合一裂缝修补处纵向正应力云图

图6 组合二裂缝修补处竖向变形云图

图7 组合二裂缝修补处横向变形云图

由图2～图17和表1可知：

1）最大变形为组合一：自重+裂缝处单侧汽车轮压+整体升温40℃共同作用下裂缝处的竖向变形0.448mm，此变形值相对于整个沥青混凝土路面以及20mm×20mm的修补材料非常微小，此变形对路面行驶平整度基本可以忽略。

图8 组合二裂缝修补处横向正应力云图

图9 组合二裂缝修补处纵向正应力云图

图10 组合三裂缝修补处竖向变形云图

图11 组合三裂缝修补处横向变形云图

图12 组合三裂缝修补处横向正应力云图

图13 组合三裂缝修补处纵向正应力云图

图14 组合四裂缝修补处竖向变形云图

图15 四裂缝修补处横向变形云图

图16 组合四裂缝修补处横向正应力云图

图17 组合四裂缝修补处纵向正应力云图

表1 计算结果汇总

2）最大压应力为组合一：自重+裂缝处单侧汽车轮压+整体升温40℃共同作用下裂缝处的纵向应力56.5MPa，而本课题组研制的裂缝修补材料实测最小抗压强度为98 .4MPa，可以满足此最不利荷载加载条件。

3）最大拉应力为组合二：自重+裂缝处单侧汽车轮压+整体降温10℃共同作用下裂缝处的纵向应力14.0MPa，而本课题组研制的裂缝修补材料实测最小抗拉强度为20.7MPa，可以满足此最不利荷载加载条件。

4）最大变形和最大应力分别出现在组合一、二中，这说明汽车轮压对沥青混凝土路面裂缝修补材料的影响比较显著，应进行重点验算和实验分析。

根据沥青混凝土路面的裂缝修补材料的建模分析结果，可以从理论上初步估计该修补材料与沥青混凝土基材的相容性较好，其应力和应变及其相关指标可以满足沥青混凝土路面最不利加载工况，可以投入下一步的工地试验和应用[3,4,5]。

本文只考虑了对沥青混凝土路面裂缝几个最不利的影响因素，虽然不能完全反映实际沥青混凝土路面裂缝修补结构的复杂性，但可以基本反映该修补材料与沥青混凝土基材的力学相容性问题。由此可见，用MIDAS有限元软件分析沥青混凝土路面裂缝修补问题是可行的，而这一类的相关文献鲜有报道，这说明本文具有一定的独创性。

[1]Yu Jianjie,Song Guquan,Wu Lang．Large Volume Concrete of A Pile Cap Temperature Fields Finite Element Analysis Based on the MIDAS, China Concrete and Cement Products．5(2012)34-37．

[2]Yang Peicheng,Li Zhicheng．Based on the MIDAS/CIVIL C40 Large Volume Concrete Construction Simulation Analysis,Highway Engineering．37(2012) 136-138．

[3]Soliman,H．Shalaby,A．Laboratory characterization of hot-pour joint sealant performance in cold climates,Proceedings,Annual Conference-Canadian Society for Civil Engineering．1(2007)207-214．

[4]Burak Sengoz，Giray Isikyakar．Evaluation of the properties and microstructure of SBS and EVA polymer modified bitumen,Construction and Building Materials．22(2008) 1897-1905．

[5]Yetkin Yildirim．Polymer modified asphalt binders,Construction and Building Materials．21(2007)66-72．

Modeling analysis of crack repairing structures for asphalt concrete pavement

In this study,a modeling analysis for the composite structure under various service conditions was carried out utilizing MIDAS software．The vertical and transverse deformation, transverse and longitudinal normal stress were analyzed by simulating the composite structure under several serving conditions．Based on the results，it was found that the strain,stress and related properties of the repair material and asphalt concrete matrixes could meet the requirements for an asphalt concrete pavement,and the compatibility of the composite structure was also satisfactory．

modeling analysis；crack repair；asphalt concrete pavement；composite structure

TU375．4

B

1003-8965（2017）03-0096-03

广东省交通厅与佛山市路桥建设有限公司合资项目