超載作用下冷再生基層瀝青路面結構力學響應分析

趙庭

【摘 要】本文借助有限元分析軟件ANSYS進行了數值仿真模擬，研究分析了超載作用下冷再生基層瀝青路面結構的力學響應。結果表明：從標準軸載工況下到超載100%的工況下，冷再生基層表面的最大豎向位移值增長了1.8倍，動應力增長了1.7倍左右；超載作用使路面結構產生較大的變形，使路面的損壞加快，大大縮短了路面的使用壽命，在實踐中應加強運營管理。

【關鍵詞】超載；冷再生；有限元數值模擬；力學響應

0 引言

隨著國民經濟的迅速發展，交通量日益增加，大型車輛軸載成倍提高，車輛超載現象十分嚴重，對路面結構造成極其嚴重的損害。早期修筑的公路有相當一部分己經進入維修期，每年有大量瀝青路面需要翻修。因此，研究超載作用對再生瀝青路面結構的影響、破壞程度等問題，無論是從理論上還是從實際需要上都有著十分重要的意義。

本文在借鑒已有研究成果的基礎上，以現行《公路瀝青路面設計規范》為依據，借助ANSYS有限元軟件建立實體模型，采用層狀彈性體系理論[1]對冷再生基層瀝青路面在不同軸載作用下各結構層的豎向位移、動應力、動應變等方面進行了研究。

1 計算參數

1.1 重載車輛接地面積及壓強計算[2]

輪胎與路面接地印跡的確定是路面結構在車輪載荷作用下力學分析的基礎，我國現行的瀝青路面設計規范中采用圓形均布載荷模式。實際中，重型車輛的軸載都比較大，因此將輪胎與路面接地印跡簡化為矩形比圓形更符合實際。當單輪作用時，為了簡化計算，將荷載有效地加到各節點上，把輪胎接地形狀等效成面積為0.8712L×0.6L（L為輪胎接地長度）的矩形。

輪壓或接地面積可借鑒比利時輪壓比與軸載比的經驗關系（如式1）確定：

pi/ps=Pi/Ps■（1）

式中：ps——標準輪壓，ps=0.7MPa

Ps——標準軸載，Ps=100kN

pi——計算輪壓，MPa

Pi——計算軸載，kN

本文以標準軸載單軸雙輪組100kN為基礎，分別分析軸載為100kN、125kN、150kN、175kN、200kN共5種工況下各結構層的豎向位移、動應力、動應變等力學響應。相關軸載計算參數如表1所示：

表1 軸載計算參數

1.2 路面結構形式的選取

瀝青路面屬于非線性的彈-粘-塑性體，但是汽車行駛的瞬時性作用對路面產生的粘塑性變形很小[3]。因此，本文將路面各結構層材料假定為均勻、連續、各向同性的彈性體。路面結構與材料參數如表2所示。

2 有限元模型的建立

2.1 模型的建立

采用有限元計算時，模型必須劃定合適的計算范圍，既不能太大導致計算量的增加，又不能太小影響計算的精度。因此，本文在計算中將路面橫向（x軸）取為6m，深度方向（y軸）取為0.59m（不包括彈簧單元模擬的土基），行車方向（z軸）按照輪胎接地面積的不同取約8m左右[4]。在行車荷載作用處單元網格加密，而遠離行車荷載作用處單元網格尺寸逐步加大。模型的邊界條件為對底層彈簧實行全約束，對x軸、z軸方向只約束其法向位移。建立好的模型如圖1所示。

表2 結構組成及計算參數

圖1 實體有限元模型

2.2 用到的單元及加載條件的設置

模型用到了四種單元，分別是SOLID45單元、COMBIN14單元、SURF154單元、PLANE42單元，SOLID45、PLANE42單元可分別用于建立三維、二維實體結構模型，COMBIN14單元為彈簧單元，可用于模擬土基，SURF154單元用于面荷載的加載[5]。

模擬車輛的動載，選取瞬態動力學分析，求解時采用Full 法。定義計算運行20步，假設車速為20m/s（72km/h），根據由車輛接地面積而劃分好的網格的大小，求出施加于一組單元上的輪載持續時間，然后輪載向前移動一個單元再持續一段此時間。采用不同的接地面積時，只需改變載荷的持續時間和輪壓即可。

3 有限元計算結果及分析

圖2 標準軸載下豎直方向位移圖（最后一步）

圖3 標準軸載下各結構層豎直位移時間歷程曲線

3.1 豎向位移的響應分析

只考慮垂直均布荷載。選取的計算點為荷載所運行區域內各結構層的正中間的一系列特殊點，圖中y的值代表從路面結構原路基層的底層（y=0）到選取的特殊點的垂直距離。

在標準軸載工況下，面層、冷再生基層和原路基層的豎向位移時程曲線變化規律基本一致，但從上到下各層到達位移峰值的時間依次滯后。從標準軸載工況到超載100%的工況下，面層表面的豎向位移是整個結構層中最大的，其值由0.107mm增長到了0.188mm，增長了1.76倍，冷再生基層表面的最大豎向位移值由0.0838mm增長到了0.151mm，增長了1.8倍；在超載車輛荷載反復作用下，過大的變形會產生過大的彎拉應力，很容易造成路面由內向外逐步發展的疲勞開裂。

3.2 垂直應力的響應分析

圖4 標準軸載下各結構層動應力時間歷程曲線

在標準軸載工況下，垂直荷載作用下各結構層的動應力時間歷程曲線如圖4所示，垂直動應力主要以壓應力為主，行車荷載接近計算點時，出現了拉應力，這種先拉后壓的情況與傳統的靜力分析有明顯的區別；最大垂直壓應力出現在面層，它的值為0.72MPa，隨著深度的增加垂直壓應力逐漸減小，并且減小的幅度很明顯，接近土基時漸漸趨近于零，也證明了路面結構需要足夠的承載力進行應力擴散[6]。隨車輛軸載的增大，路面各結構層的動壓應力逐漸增大，面層在超載100%工況下的動應力是標準軸載工況下的1.6倍左右；冷再生層（y=0.4m至y=0.5m）在超載100%工況下的動應力是標準軸載工況下的1.7倍左右。