基于不同格柵加筋層位的瀝青路面加鋪層結構應力分析

楊維國

（深圳高速工程顧問有限公司，廣東 深圳 518034）

0 引言

隨著我國高等級公路建設的飛速發展，公路網骨架基本完成，公路事業的重點將轉移到舊路養護、改擴建工程上來。在我國，舊瀝青路面上加鋪瀝青混凝土層已成為一種切實可行、簡單有效的修復措施。采用格柵加筋瀝青加鋪層已經被證明能夠有效地提高路面結構強度和改善路面使用性能。

目前，國內研究主要集中在格柵在舊水泥混凝土路面加鋪中的應用，而對于格柵在舊瀝青路面加鋪中的應用研究甚少。關于格柵在加鋪層中的位置，現有的研究主要是將其設在加鋪層的底部，對其他位置研究很少。但現實工程中卻有許多將格柵放在其他位置并取得較好的效果的實例。所以，對于整個格柵加筋的層位，目前尚缺乏系統的理論分析。本文擬通過對舊瀝青路面不同格柵加筋加鋪層層位進行力學分析，提出瀝青加鋪層中格柵加筋的最優層位。

1 不同格柵層位的瀝青加鋪層力學模型建立

視路面結構為彈性層狀體系，從上至下由瀝青加鋪層、格柵、舊瀝青路面和基礎組成，建立空間三維模型。對瀝青加鋪層、舊瀝青路面和基礎采用8節點實體單元，格柵采用三維薄膜單元進行分析。采用大型有限元軟件ANSYS進行計算。模型及坐標系如圖1所示。

圖1 結構計算模型

在計算溫度應力時，采用三維模型solid70單元，不僅理論上符合實際情況，而且可與荷載應力進行耦合分析。因此，溫度應力計算模型與荷載應力計算模型相同。經過計算得出無格柵時最不利溫度應力點為接縫處加鋪層底部的A點（如圖2a）所示），有格柵時采用應力格柵底部A1點及瀝青加鋪層底部B點來計算（如圖2b）所示）。

圖2 溫度應力計算點位

2 不同格柵位置的加鋪層結構荷載應力分析

假設層間狀態為連續，瀝青加鋪層厚度h＝12cm，固定瀝青加鋪層模量EAC＝1200MPa，舊路當量回彈模量Et＝400MPa，格柵模量Eg＝3000MPa。當舊路有裂縫時，假設舊路裂縫深10cm、寬5mm。格柵從加鋪層層底逐漸上移h／6、h／3、h／2、2h／3，采用有限元計算模型，根據開裂機理，分析格柵之下瀝青層層底及格柵之上瀝青層表面的受力狀況，結果見表1。

表1 格柵位置對加鋪層結構荷載內力的影響分析

由表1可以看出以下幾點。

第一，無論舊路有無裂縫，格柵的層位對加鋪層表面的彎沉影響都比較小，但依然隨著格柵層位的上升先增大后減小，在h／3～h／2處出現最大值。

第二，無論舊路是否有縫，格柵本身的最大應力σm隨著格柵層位的上升而減小，也就是說隨著格柵的上移，格柵抵抗拉力的價值逐漸得不到體現。當格柵置于瀝青混凝土加鋪層最底部時，格柵上方瀝青加鋪層最厚，相對而言格柵承受較大拉應力，但根據格柵的抗拉強度，不同格柵鋪設位置均不致明顯影響格柵本身的壽命。

第三，隨著格柵位置的上移，加鋪層層底的最大拉應力、拉應變隨之增大。當格柵從加鋪層層底移至中間，舊路無縫時的加鋪層層底的最大拉應力、拉應變分別增大27.3%、16.7%，舊路有縫時加鋪層層底的最大拉應力、拉應變分別增大26.8%、17.2%。而加鋪層層底剪切應力τyz則先減小后增大，在h／6處出現最小值，舊路無裂縫時為0.098MPa，比格柵位于加鋪層底部減少19.39%，舊路有裂縫時為0.183MPa，比格柵位于加鋪層底部減少8.7%。

所以，在只考慮整個加鋪層底部的最大拉應力、拉應變的情況下，格柵設置在加鋪層底部的抗拉效果比其他層位要好。

根據以上的分析，格柵的上移使格柵之下加鋪層的受力不利，卻換取格柵之上加鋪層優越的受力環境。由于格柵擁有優異的抗拉、抗裂性能，在格柵上、下加鋪層之間起到一個隔離層的作用，所以，即使格柵之下的加鋪層有一些性能損失，仍能確保格柵之上加鋪層處于一個良好的狀態。可以說格柵之下的加鋪層是格柵之上加鋪層的保護層，但同時考慮其他的因素，該保護層不能太厚。而這個保護層與工程實際中的應力吸收層功能相似，即格柵與應力吸收層聯合使用，能取得更好的效果。

圖3 格柵置于底部與h/6處時格柵之上加鋪層的應力應變比較

3 不同格柵位置的加鋪層結構溫度應力分析

假設層間狀態為連續，瀝青加鋪層厚度h＝12cm，固定瀝青加鋪層模量EAC＝1200MPa，舊路當量回彈模量Et＝400MPa，格柵模量Eg＝3000MPa。當舊路有裂縫時，假設舊路裂縫深10cm、寬5mm。格柵從加鋪層層底逐漸上移h／6、h／3、h／2、2h／3，取ΔT＝－10℃。計算結果見表2。

表2 格柵位置對加鋪層層底及加鋪層表面的結構溫度內力影響分析

從表2中可以得出，格柵之上的加鋪層的溫度應力不受有、無格柵和格柵層位的影響。加鋪層層底的最大溫度應力和最大應變只有在格柵位于層底和h／6處才有所變動，其他情況下與無格柵時一樣。格柵本身的拉應力在h／6處最大，為0.275MPa，當格柵層位大于h／2時，與無格柵的情況一樣。即可得出只有將格柵置于加鋪層層底與h／2之間時，才會影響加鋪層層底的溫度應力、應變，而且影響不明顯。

4 結論

4.1 在只考慮整個加鋪層底部的最大拉應力、拉應變的情況下，格柵設置在加鋪層底部時的抗拉效果比設置在其他層位要好。

4.2 隨著格柵位置的上移，格柵之上的加鋪層最大拉應力、拉應變迅速減小，通過對比分析發現，格柵鋪設在h／6處比鋪設在加鋪層底部更能有效延長加鋪層的疲勞壽命。

4.3 格柵之下的加鋪層（保護層）其功能和厚度與應力吸收層相似，即可推導出應力吸收層與格柵聯合使用能取得更好的效果的結論。

4.4 格柵之上的加鋪層其溫度應力不受有、無格柵和格柵層位的影響。只有將格柵置于加鋪層層底與h／2之間時，才會影響加鋪層層底的溫度應力、應變，而且影響不明顯。

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