設(shè)應(yīng)力吸收層復(fù)合式路面的瀝青層合理厚度研究?

蔡永利

（河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，河北石家莊 050011）

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設(shè)應(yīng)力吸收層復(fù)合式路面的瀝青層合理厚度研究?

蔡永利

（河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，河北石家莊 050011）

摘要：為了研究設(shè)應(yīng)力吸收層復(fù)合式路面瀝青層合理厚度，采用ANSYS有限元軟件對(duì)動(dòng)載作用下設(shè)和不設(shè)應(yīng)力吸收層的2種復(fù)合式路面瀝青層底應(yīng)力和彎沉進(jìn)行分析，結(jié)果表明不設(shè)應(yīng)力吸收層的復(fù)合式路面瀝青加鋪層厚度不宜小于10 cm，設(shè)置改性瀝青混合料應(yīng)力吸收層的瀝青層厚度不宜小于5 cm。

關(guān)鍵詞：公路；應(yīng)力吸收層；復(fù)合式路面；瀝青層厚度；動(dòng)載作用

相關(guān)研究表明，由瀝青面層與水泥砼板基層構(gòu)成的復(fù)合式路面既可有效克服瀝青路面與水泥砼路面的劣勢(shì)，又可充分發(fā)揮兩種路面的優(yōu)點(diǎn)。復(fù)合式路面的主要破壞多為瀝青面層反射裂縫所引起。而應(yīng)力吸收層混合料的高彈和超柔韌性，加上高含量的瀝青混合料自愈合能力與能量消散作用可有效減少反射裂縫的產(chǎn)生。

國(guó)內(nèi)關(guān)于應(yīng)力吸收層使用效果的評(píng)價(jià)及路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析大多基于靜載作用，而靜載無(wú)法真實(shí)反映路面的實(shí)際受力。因此，該文基于動(dòng)力學(xué)分析理論，采用ANSYS有限元軟件分析動(dòng)載作用下設(shè)應(yīng)力吸收層復(fù)合式路面的受力特性。

1　動(dòng)態(tài)分析理論基礎(chǔ)與作用形式

1.1動(dòng)態(tài)分析理論基礎(chǔ)

（1）瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析。瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析的求解基本運(yùn)動(dòng)方程如式（1）所示，是一種確定承受任意的隨時(shí)間變化的載荷結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方法。

（2）材料阻尼。根據(jù)Rayleigh于1877年提出的線性阻尼假設(shè)進(jìn)行有限元計(jì)算：

式中：α反映粘性阻尼性質(zhì)；β反映結(jié)構(gòu)阻尼性質(zhì)。

α和β的計(jì)算公式如下：

式中：ω1和ω2分別為一階與二階的圓頻率；ξ為阻尼比，取0.05。

1.2車輛動(dòng)荷載的作用方式

計(jì)算采用圖1所示1/4車輛模型。在通常情況下，采用穩(wěn)態(tài)的正弦波動(dòng)荷載描述車輛荷載。這里采用一種相對(duì)簡(jiǎn)單并能反映荷載周期特點(diǎn)與其幾何不平順性的類似于激振形式的力近似描述汽車荷載，公式如下：

式中：P0為車輪靜載，單邊靜輪重P0=25 k N；P為振動(dòng)荷載的幅值，P=M0aω2；M0為簧下質(zhì)量，M0= 120 N·s2/m；a為矢高，用來反映路況幾何不平順性；ω為振動(dòng)的圓頻率，ω=2πv/L；v為汽車的運(yùn)行速度；L為幾何曲線的波長(zhǎng)，取車身長(zhǎng)，L=6 m。

圖1　二自由度1/4車輛模型示意圖

荷載作用在道路縱向邊緣，位置如圖2所示，車輛以100 km/h的速度從接縫一側(cè)運(yùn)動(dòng)到另一側(cè)（如圖2箭頭所示）。

圖2　動(dòng)態(tài)荷載作用位置示意圖

2　計(jì)算模型與參數(shù)

計(jì)算采用彈性層狀體系理論，并建立由路基、基層、水泥砼板、應(yīng)力吸收層和瀝青層組成的空間三維模型結(jié)構(gòu)。對(duì)各結(jié)構(gòu)層作如下假定：1）水泥砼面板接縫寬度為1 cm，且接縫處無(wú)傳荷能力；2）基礎(chǔ)底面的各向位移均為零，且基礎(chǔ)側(cè)面的水平方向位移為零；3）各層層間豎向和水平位移均為連續(xù)；4）瀝青砼四周的側(cè)面水平方向位移均為零，舊水泥砼板各向自由；5）各結(jié)構(gòu)層為均勻、連續(xù)和各向同性的彈性體。各結(jié)構(gòu)層均采用Solid45單元。表1、表2為模型的組合類型及參數(shù)選取，模型尺寸如表3所示，結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

表1　計(jì)算模型類型

表2　各結(jié)構(gòu)層參數(shù)

動(dòng)載計(jì)算時(shí)取速度v為100 km/h，勻速行駛。分10個(gè)荷載步，從接縫一側(cè)距接縫1 m處行駛到接縫另一側(cè)1 m處。當(dāng)車輛行駛到接縫處時(shí)，因復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)中水泥砼板原始接縫的存在，加鋪層底A點(diǎn)產(chǎn)生應(yīng)力集中，力學(xué)計(jì)算分析時(shí)提取A、B兩點(diǎn)的應(yīng)力和C、D兩點(diǎn)的彎沉差（如圖4所示）。

表3　計(jì)算模型尺寸

圖3　結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算模型（單位：cm）

圖4　計(jì)算點(diǎn)位置示意圖

3　瀝青層合理厚度確定

采用ANSYS有限元軟件進(jìn)行力學(xué)計(jì)算，其中瀝青層的厚度為6～20 cm。為了對(duì)比加鋪應(yīng)力吸收層前后瀝青層的受力變化，分別對(duì)不設(shè)應(yīng)力吸收層和設(shè)置應(yīng)力吸收層的復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析。

3.1瀝青層底應(yīng)力分析

不同瀝青層厚度下A點(diǎn)應(yīng)力變化如表4、圖5所示，B點(diǎn)應(yīng)力變化如圖6所示。

從表4和圖5可看出：復(fù)合式路面設(shè)置應(yīng)力吸收層時(shí)，當(dāng)厚度（含應(yīng)力吸收層2.5 cm）從8.5 cm增加到22.5 cm時(shí)，面層底接縫處A點(diǎn)的等效應(yīng)力σe、最大剪應(yīng)力τmax、豎向剪應(yīng)力τxy比不設(shè)應(yīng)力吸收層情況下分別減少45.8%～46.5%、46.3%～46.9%、45.1%～47.5%。這再次證明加設(shè)應(yīng)力吸收層能有效減少接縫處應(yīng)力集中，從而延緩反射裂縫的產(chǎn)生。隨著瀝青層厚度的增加，A點(diǎn)的τmax、σe和τxy均呈減小趨勢(shì)。當(dāng)瀝青層厚度由8.5 cm逐漸增加到22.5 cm時(shí)，面層層底接縫處A點(diǎn)的τmax、σe、τxy分別從0.676、1.238和0.230 MPa減小到0.409、0.753和0.125 MPa，減小值分別為0.267、0.485和0.105 MPa，減小幅度分別為39.5%、39.2%和45.5%。可見，瀝青層厚度的增加對(duì)改善路面的受力作用很顯著。但在瀝青層厚度增加至10～12 cm時(shí)，σe、τmax和τxy隨著瀝青面層厚度變化的幅度明顯變緩，說明在滿足結(jié)構(gòu)受力的情況下，繼續(xù)增加瀝青層厚度對(duì)結(jié)構(gòu)層受力改善效果不明顯，瀝青層的厚度不是越厚越好。因?yàn)樵黾訛r青層的厚度，路面結(jié)構(gòu)的建設(shè)成本會(huì)相應(yīng)增加。

表4　不同瀝青層厚度下A點(diǎn)應(yīng)力的變化

圖5　不同瀝青層厚度下A點(diǎn)應(yīng)力的變化

圖6　不同瀝青層厚度下B點(diǎn)應(yīng)力的變化

從圖6可看出：兩種結(jié)構(gòu)B點(diǎn)應(yīng)力隨著瀝青層厚度的增大而減小。對(duì)比兩種結(jié)構(gòu)受力，當(dāng)瀝青層厚度為10.5 cm時(shí)，不設(shè)應(yīng)力吸收層結(jié)構(gòu)時(shí)B點(diǎn)的τxy、τmax和σe分別為0.250、0.251和0.474 MPa，設(shè)應(yīng)力吸收層結(jié)構(gòu)時(shí)分別為0.164、0.173和0.344 MPa，不設(shè)應(yīng)力吸收層結(jié)構(gòu)時(shí)的應(yīng)力明顯大于設(shè)應(yīng)力吸收層結(jié)構(gòu)時(shí)的應(yīng)力。

3.2瀝青層底彎沉分析

接縫處的彎沉及彎沉差隨瀝青加鋪層厚度的變化如表5、圖7、圖8所示。

表5　接縫處的彎沉及彎沉差

圖7　接縫兩側(cè)彎沉隨瀝青加鋪層厚度的變化

圖8　接縫兩側(cè)彎沉差隨瀝青加鋪層厚度的變化

由表5、圖7、圖8可知：兩種路面結(jié)構(gòu)接縫兩側(cè)的彎沉及彎沉差均隨瀝青層厚度的增加而減小。對(duì)比設(shè)與不設(shè)應(yīng)力吸收層兩種路面結(jié)構(gòu)的彎沉和彎沉差，設(shè)應(yīng)力吸收層的復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)瀝青層厚度逐漸增加（8.5～22.5 cm）時(shí)，受荷作用一側(cè)的彎沉由0.340 2 mm減小到0.309 9 mm，減小8.9%、0.030 3 mm；不受荷作用一側(cè)的彎沉則由0.326 6 mm減小到0.302 7 mm，減小7.3%、0.023 9 mm；彎沉差從0.013 6 mm減小到0.007 2 mm，減小46.9%、0.006 4 mm。設(shè)置應(yīng)力吸收層對(duì)接縫處的彎沉差和彎沉幾乎沒有影響，可見設(shè)置應(yīng)力吸收層的作用主要是減少結(jié)構(gòu)應(yīng)力，并不是減少結(jié)構(gòu)彎沉，說明通過增加瀝青層厚度來減小荷載作用下的彎沉及彎沉差不可行。

4　結(jié)論

綜上所述，隨著瀝青面層模量和厚度的增加，其應(yīng)力吸收層底部接縫處應(yīng)力逐漸減小，且隨著瀝青面層厚度的增加，反射裂縫擴(kuò)展到路面結(jié)構(gòu)表面的時(shí)間越久，對(duì)于延緩和防止反射裂縫更加有利。在瀝青面層厚度達(dá)到10～12 cm時(shí)，σe、τmax和τxy隨瀝青面層厚度的變化明顯變緩。在滿足路面結(jié)構(gòu)受力的情況下，再增大瀝青面層厚度對(duì)瀝青面層的受力改善效果并不明顯，并且隨著加鋪層的增大，更容易產(chǎn)生車轍破壞，投入的成本也更大。由此可知瀝青面層的厚度并不是越厚越好。推薦不設(shè)應(yīng)力吸收層的復(fù)合式路面瀝青加鋪層厚度不宜小于10 cm，設(shè)置改性瀝青混合料應(yīng)力吸收層的瀝青層厚度不宜小于5 cm。

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中圖分類號(hào)：U416.217

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-2668（2016）03-0095-04

基金項(xiàng)目：?河北省交通科技項(xiàng)目（T-2012017，Y-2012014）；陜西省交通科技項(xiàng)目（13-06k）

收稿日期：2016-01-21