基于有限元的传感器变形协调性能研究

樊云龙,朱宇杰

（江苏高速公路工程养护技术有限公司,江苏 南京 210000）

0 引言

近年来，传感器测试技术在沥青路面工程中广泛应用，以实时监测沥青路面结构内部不同位置的力学响应状态[1]。由于埋入式应变传感器与路面结构模量差过大，容易产生交互影响及变形不协调，影响传感器的测量准确性和耐久性。因此，研究传感器与沥青路面结构的协同工作机理，从而提高传感器在沥青路面中的服役性能显得尤为重要。

众多学者对埋入式应变传感器在沥青路面中应用的问题已做了大量研究，钟阳等人将自制的应变传感器埋入沥青混凝土路面内部，用以监测路面结构的内部应变，对路面结构内部的应变响应随车速的变化规律进行了研究分析[2]。董泽蛟等人以尼龙节点将两个水平向应变传感器和一个竖向应变传感器进行固结，使之成为能测量三维应变的传感器组，实现了埋入式传感器对路面内部三维应变信息的获取[3]。廖公云依托室内试验，在沥青路面结构水稳碎石基层中埋设了VS-10振弦式应变传感器与VSP520-4土压力盒，对沥青混凝土面层和水泥稳定碎石基层的应力应变状态进行监测，并基于双层弹性体系理论对路面结构层的回弹模量进行了反算验证[4]。杨永顺以传感器实测数据为基础，利用SPSS软件建立了沥青层底应变响应的预估模型，揭示了不同路面结构的沥青层底应变响应随荷载和温度等因素的变化规律[5]。董忠红使用了自主研发的能同时测量路面内部横向、纵向和垂向应变的传感器，研究分析了轴重与坡道位置对路面结构内部力学响应的影响[6]。艾长发在三种典型的沥青路面结构内部分别沿着行车方向和垂直于行车方向埋设了ASG电阻式应变传感器，基于所采集的数据得到了FWD冲击荷载和标准轴载之间的换算关系[7]。

现有研究多以所使用的埋入式传感器为研究对象，然而目前应用于沥青路面工程中的埋入式应变传感器的尺寸各不相同，传感器封装材料种类繁多，现有成果多有局限性。针对现有的沥青路面埋入式应变传感器模量过高，与沥青混合料的模量差较大的问题，利用ABAQUS有限元软件，建立在标准交通荷载条件下埋入应变传感器的路面结构的数值模型，分析埋入式应变传感器和路面结构的力学响应特征，对埋入式应变传感器与路面结构的交互影响进行研究，研究成果可为半刚性基层路面的传感器埋设提供一定的理论依据。

1 有限元模型建立

该文采用常规典型路面结构进行有限元数值模拟分析，研究埋设传感器对路面结构力学响应的影响。路面结构及材料参数见表1。路面结构采用分层结构，埋入式应变传感器模型参考H1204埋入式应变传感器，尺寸如图1所示。

图1 H1204埋入式应变传感器的结构尺寸示意图

表1 路面结构及材料参数

传感器与沥青混合料的法向接触设定为硬接触，切向接触选择Penalty摩擦接触，摩擦系数为0.7，初始施加荷载采用标准荷载0.7 MPa。模型底部各方向位移约束为零，左右两个侧面处水平位移约束为零。建立的三维路面结构模型见图2。

图2 有限元模型

在网格功能模块中对模型进行网格划分，首先对模型进行剖分，剖分出荷载作用的局部区域，之后在荷载作用处、路面结构的面层层位以及传感器范围内的试件部分进行网格加密，划分成最小网格尺寸5 mm的结构网格，网格单元类型为C3D8R，网格划分结果见图3。

图3 网格划分示意图

2 传感器对路面结构力学响应的影响分析

为分析传感器埋设对于路面结构力学响应的影响，使用将传感器埋设在有限元模型的基层中心顶部的模型及没有埋设传感器的有限元模型，在标准荷载作用下，分别进行有限元数值模拟得到埋设传感器的路面结构力学响应。传感器埋设路面结构截面水平应力分布及水平应变分布云图如图4所示。可以看出，中性轴位于中心线，沥青混合料与传感器接触面附近存在应力突变现象，传感器中部附近应变发生小范围突变。

图4 有无传感器路面结构水平应力、应变剖面云图

水平横向应力深度分布曲线如图5所示，可以看出，仅传感器处出现应力集中，无传感器时相同位置水平应力分布平滑。除传感器外的其他区域水平应力并没有发生明显的变化，传感器的影响范围较小。

图5 有无传感器水平横向应力深度分布曲线

水平横向应变深度分布曲线如图6所示，可以看出，传感器处出现较小的波动，其他位置无明显变化。相对于对水平应力分布的影响，传感器的埋入对水平应变的影响相对更小。

图6 有无传感器水平横向应变深度分布曲线

3 不同层位组合埋设影响分析

在路面结构单一层位埋设传感器对传感器附近路面结构力学响应有明显影响，但影响范围并不很大。然而在实际情况中，会出现需要在路面不同层位同时埋设传感器的需求，此时多个传感器组合埋设对于路面结构力学响应的影响是值得去关注的。该研究将传感器竖向排列组合埋设在下面层、上基层、下基层、底基层的顶部，在标准荷载作用下，进行有限元数值模拟，得到路面结构力学响应。

传感器埋设截面水平应力、应变分布云图如图7所示。可以看出，中性轴位于中心线，沥青混合料与传感器接触面存在应力、应变突变现象，整体分布没有太大差异，传感器埋设影响范围较小。

图7 组合埋设水平应力、应变云图

水平横向应力深度分布曲线如图8所示，可以看出，仅在各传感器附件处出现应力突变，无传感器时相同位置水平应力发展平滑。除埋设传感器区域外的其他区域水平应力与不埋设传感器的情况相比没有发生明显的变化，说明上下组合排列埋设的传感器对路面结构影响范围较小。

图8 组合埋设水平应力曲线

水平横向应变深度分布曲线如图9所示，可以看出，传感器附近出现较小的波动，无传感器时相同位置应变发展平滑，其他位置相比较无明显变化。相对于对水平应力分布的影响，传感器的埋设对水平应变的影响相对较小。

图9 组合埋设水平应变曲线

4 结语

（1）传感器埋设在路面结构中对路面力学响应具有显著影响，在传感器与路面结构接触面附近出现应力集中现象，水平应力、应变都会出现小范围的突变，但水平应变的波动明显小于水平应力。

（2）通过组合式埋设传感器有限元模拟，发现在路面不同层位同时埋设传感器时，在各传感器与路面结构的接触面附近出现应力集中，其他区域受传感器影响很小，且传感器之间没有明显的相互影响。

（3）该文研究成果可为高速公路路面的传感器埋设提供一定的理论依据。