瀝青加筋路面有限元分析

馬琳 丁峰 張衛星

本文中瀝青路面加筋體采用的玻璃纖維格柵(GLASGRID)是一種性能優異的新型路面增強材料,它不但具有價格便宜、適用范圍廣、方便施工等特點,而且可以抵御十分惡劣的環境,因此,在工程界和公路建設中必將發揮更加重要的作用[1-3]。玻璃纖維格柵具有抗蠕變性、抗拉撕性、耐高溫性能、防腐、抗老化性能。

玻璃纖維格柵在瀝青路面中起補強的作用,其補強方式如圖1所示。

從圖1中的道路橫斷面觀察,在瀝青面層內部上下層之間鋪設一層玻璃纖維格柵[4,5]能有效地減小剪應力,最大限度地阻止剪切流動,使網格和面層間形成較高的抗剪強度區,并在荷載作用下減小水平方向的正應力和垂直方向剪應力,玻纖格柵在瀝青路面中產生的抗拉伸能力,可以抑制應力及提高彈性模量,阻止和延緩基層反射裂紋向面層發展,對路面產生顯著加強作用。

1 瀝青混凝土路面結構的數學模型

模型以空間直角坐標系建立,路面實體模型整體坐標示意圖如圖2所示(未分層顯示),黑色矩形塊為雙輪組汽車輪載的作用位置輪廓示意。

加筋前后路面ANSYS有限元模型對比如圖3所示。

圖3中左邊為加筋前路面實體模型,右邊為加筋后路面實體模型。網格劃分密度由上到下從密到疏,對于荷載作用范圍附近比遠離的范圍劃分得更密,所以劃分符合實際受力情況。荷載為均布荷載,將標準圓形荷載面積[6,7]等效轉化為矩形荷載,更加切合實際。荷載作用在瀝青面層上表面中央,荷載方向為作用于路面且垂直于路面的均布壓力[8],約束條件為在實體的前后左右四個面上只加法向約束,而在實體的底面上加X,Y,Z三向約束,保證模型既符合實際又不會產生自由度不足問題。

2 模型結果分析

對于正負向最大豎向剪應變值來講,當加筋在5 cm深度位置時產生的數值影響最大,即減小程度最大,在5 cm面層深度處加筋是最合理、最有效的,而且對于施工也很方便,當然由于從最小施工厚度的影響以及經濟性能考慮,一般在4 cm～6 cm加筋是最科學和最方便的,而且通過觀察加一層筋已經滿足彈性路面內抵抗豎向剪應力和橫向應力的需要,對于路面荷載作用中央的豎向剪切應變也大大減小,且對于荷載周圍部位也是同樣具有類似的抵抗應力應變的性質。以此為基礎可以推測路面加筋對長期作用重復荷載時發生的永久車轍形變的減小具有相當的作用。

3 結語

本文通過彈性體加筋前后結果對比可以得出玻璃格柵路面加筋作用效果明顯,從理論上還可以適度減小面層厚度;同時由于加筋提高了路面的抗力,可以預期延遲車轍變形的發生,保證路面不被過早破壞。

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