舊水泥混凝土板加鋪瀝青罩面結構的應力分析

楊 剛,薛忠軍,張肖寧

(1.廣州市公路管理局工程研究所;2.華南理工大學)

瀝青加鋪層路面結構(“白加黑”工程)主要由舊水泥路面板結構、夾層、瀝青面層等結構層組成,瀝青加鋪層結構穩定性同時受外因如車輛荷載、溫度、氣候、水文地質條件等和內因如瀝青加鋪層結構本身各組成部分特性的影響。這些結構層特性直接關系到瀝青加鋪層結構設計的重要問題,將直接影響瀝青加鋪層使用性能。

1 分析模型

1.1 模型建立

為使分析模型更符合瀝青加鋪層實際受力狀況,結構模型設計進行了如下假設:(1)加鋪前后的路面結構均質、連續、各向同性;(2)各結構層間完全接觸;(3)加鋪層表面自由;(4)舊水泥路面接縫尖端已到達夾層底部;(5)舊路經過有效處理,不存在脫空板和傳荷能力差的板。根據彈性層狀體系理論進行計算,確定取4.5m×10.005m×3.3m作為計算模型,橫縫寬度 0.5cm,橫向貫穿舊水泥路面。模型選用三維八節點SOLID單元,靠近荷載作用位置和接縫位置的單元劃分比較密,遠離荷載位置、板邊緣位置的單元劃分較稀疏(如圖 1)。接縫間的荷載傳遞能力通過設置剪切彈簧來模擬,采用一維CONBIN14單元,只允許其有剪切方向自由度。

1.2 荷載分析

(1)靜態作用荷載分析

行車模型采用的是黃河JN-100標準車型(后軸重100kN,輪壓0.7MPa,雙輪中心距32cm,輪距182cm)。為便于分析計算,輪胎與路面的接觸面理想化為 18.9cm× 18.9cm的正方形,如圖 1。最不利載位如圖 2。

圖1 BZZ-100標準車型

(2)動態作用荷載分析

汽車在行駛過程中,對路面產生垂直方向振動作用和瞬間沖擊作用,以及水平方向推擠作用。由于瀝青加鋪層結構的粘彈塑性性質,荷載作用時間不同,路面結構所表現出的力學性質是完全不同。

圖2 加鋪層中最不利荷載位置

板體變形的瞬態動力學求解的基本運動方程見式(1)為節點速度矢量;{ü}為節點加速度矢量。

結構阻尼矩陣

式中:α,β是與結構固有頻率和阻尼比相關的常系數,可以由任意兩個振型的固有頻率和相應的阻尼比來確定。本研究中采用模態疊加法,將從模態分析中得到各個振型分別乘以系數后疊加起來以計算動力學響應。動態分析模型荷載亦采用黃河 JN-100標準車型(軸重 100kN,輪壓0.7MPa),受力接觸面積 357.21cm2,計算時所取的速度為72km/h,即荷載作用的時間為 0.01s,荷載行駛路線為最不利荷載位置如圖 3所示的荷載作用中心。

2 瀝青加鋪層的應力分析結果

瀝青加鋪層結構基本參數采用如表 1,對瀝青面層厚度分別為4cm、4.5cm、6cm、8cm、10cm、12cm、14cm、16cm、18cm、20cm的加鋪層進行應力分析。瀝青罩面加鋪層結構層內應力影響的計算結果見圖 3～圖 5。

表1 結構層材料參數

圖3 最大剪應力變化曲線圖

圖4 最大主應力變化曲線圖

圖5 等效應力變化曲線圖

根據上述結果及圖表分析可知:最大剪應力結果中,面層剪應力的波動范圍為 0.295～0.357MPa,變化值為0.062MPa;舊水泥混凝土板的波動范圍為0.270～0.604MPa,變化值為0.334MPa;夾層波動范圍為0.623～1.300MPa,變化值為0.677MPa。最大主應力結果中,面層剪應力的波動范圍為0.668～0.820MPa,變化值為0.152MPa;舊水泥混凝土板的波動范圍為0.953～1.490MPa,變化值為0.537MPa;夾層波動范圍為1.160～2.220MPa,變化值為1.06MPa。等效應力結果中,面層剪應力的波動范圍為 0.544～0.654MPa,變化值為0.11MPa;舊水泥混凝土板的波動范圍為1.10～2.04MPa,變化值為0.94MPa;夾層波動范圍為1.170～2.390MPa,變化值為1.22MPa。

3 結 論

根據應力分析的數據結果以及有關分析,可有以下結論。

(1)面層中等效應力、最大剪應力隨著面層厚度的增加先減小后增大,第一主應力隨著厚度增加減小,但三種應力值的變化區域均較窄。因此,單純增加面層的厚度來減少反射裂縫效果并不明顯,而且面層標高變化太大,附屬設施和沿線構筑物的標高都要進行相應的變化。另外,在際工程中從投資的角度看,單純增加面層的厚度也不是一種合理的設計應用方法。

(2)三個層位產生的應力水平差異很大,其中的夾層結構中產生的最大主應力﹑最大剪應力﹑等效應力等三種應力平均水平和變化范圍均較大,說明在舊水泥板上加鋪瀝青面層結構設計中的關鍵技術是夾層的結構,需要對夾層結構和材料進行專門設計。

(3)在“白加黑”舊路加鋪瀝青層的設計過程中,應充分重視結構層之間的結構構造要求,應想方設法地加強舊水泥混凝土板與應力夾層以及應力夾層與瀝青面層之間的層間結合力,力使實際結構與理論設計保持一致。

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