車輪荷載作用下的瀝青路面結構受力特征

藍明祥

(新疆興亞工程建設有限公司，新疆　烏魯木齊　831100)

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車輪荷載作用下的瀝青路面結構受力特征

藍明祥

(新疆興亞工程建設有限公司，新疆烏魯木齊831100)

為研究瀝青路面在車輪荷載作用下的結構受力特征規律，文章采用ANSYS有限元軟件，對典型瀝青路面結構在車輪荷載作用下的的受力情況進行數值模擬分析。研究結果表明：在車輪荷載作用下，車輪作用處發生凹陷變形，車輪周邊發生凸起變形，且中面層和下面層的豎向變形最大；路面各節點產生的位移隨著路面深度的增大而增大；在車輪荷載作用范圍內，剪應力呈現不均勻分布；車輪中心位置點處，合應力在車輪荷載的作用時間初期，產生突變增大，但隨后應力大小基本保持不變；特征點的豎向位移和蠕變變形均隨荷載作用時間逐漸增大，曲線均表現為兩階段變化特征。

瀝青路面；車輪荷載；車轍；結構受力；力學特征；數值分析

0　引言

瀝青路面的性能與溫度、時間、應力之間的關系明顯。由于瀝青混合料的性能優劣差異，在高溫及重、超載車輛的作用下瀝青路面產生不同程度的永久變形，

從而出現車轍痕跡，給路面行駛舒適性和安全性帶來不利[1-2]。因此，進行瀝青混合料永久變形的研究對路面結構設計及車轍病害防治的意義非凡。目前在數值分析方面，路面車轍的相關研究成果較為豐富，例如Wu[3]利用ANSYS有限元軟件，結合蠕變模型和(D-P)塑性模型預測瀝青混合料路面結構的永久變形；Hua[4]利用ABAQUS有限元，將路面假設未平面應變問題，計算了瀝青路面永久變形值；Erkens和Blab等[5-6]人則采用有限元三維方法分析路面力學性能；張久鵬[7]運用有限元建立了路面結構二維模型，分析了瀝青路面柔性基層的車轍變化；張麗娟[8]結合D-P蠕變模型，利用粘彈性有限元對瀝青混合料的靜載情況下的蠕變進行了分析；汪凡[9]采用Johnson-Cook粘塑性模型分析了瀝青混合料的溫度效應、應變硬化等力學特征。

本文結合我國國內主要的瀝青路面結構形式，運用ANSYS有限元中的蠕變模對瀝青路面在車輪荷載作用下的力學特性進性模擬分析。研究成果能夠為瀝青路面結構設計及路面車轍病害防治提供理論支持。

1　模型建立

1.1選取模型參數

本文以典型路面結構結構文研究對象，路面結構由上至下依次為SMA-13、AC-20、AC-25，水泥穩定碎石基層，水泥粒料底基層。據文獻[10]中描述的路面各結構層材料相關參數及彈性模量E和泊松波v的參考值，得到各結構層力學參數如表1所示。

表1　路面各結構層模擬參數表

注：表1中，A、n、m為蠕變方程中的回歸參數

1.2邊界條件及建立模型

車轍試驗樣板是一層面板模型，采用ANSYS有限元中solid45單元對單層板和全厚路面層包含上面層、中面層、下面層、基層、底基層進行三維構造，該單元由多個節點定義，每個節點有X、Y、Z三個方向的自由度。solid45單元的屬性能夠定義蠕變模型中的材料性能。

構造三維實體模型，定義模型參數，對模型進行網格劃分，路面結構模型大小為2.5 m×2.5 m×5 m，網格劃分采用自由化網格，每個單元的X、Y、Z尺寸大小為5 cm，上面層，中面層，下面層的單元格厚度依次設定為4 cm、5 cm、6 cm，基層和底基層的單元格厚度均設定為15 cm。蠕變模型中的數值模擬的加載方式采用分級加載形式，分為兩次加載，第一次加載時間較短，不打開蠕變設置，第二次加載需要考慮加載的時間，即打開蠕變設置。依據上述步驟，通過有限元軟件得到路面結構模型如圖1所示。

圖1　路面結構模型圖

2　車輪荷載作用下瀝青路面結構受力特征

2.1應變特征分析

數值模擬中，將車輛的單軸雙輪荷載作用于路面頂部，規定車輪荷載作用大小為0.7 MPa，車輪荷載作用時間為5 000 s。在該條件下模擬車輛荷載反復作用于瀝青路面結構模型，得到路面結構層的豎向變形二維圖，如圖2所示。

圖2　反復荷載作用下瀝青路面結構層的豎向變形圖

從圖2中可明顯看出，在車輪荷載的反復作用下，瀝青路面結構層產生明顯的波浪形變，車輪作用處，路面結構豎向擠密壓實，側向流動變形，車輪作用處產生凹陷，車輪周邊發生凸起。此外，從圖中還可以看出，車輛荷載對路面結構產生車轍主要對面層的影響較大，尤其是中面層和下面層產生的豎向變形較大，這表明中面層和下面層對車轍變形承擔主要作用。

圖3為路面蠕變變形圖，從圖中可以看出，輪軸中心位置產生的蠕變變形最大，輪胎外側產生的蠕變變形次之，越遠離車輪作用位置，蠕變變形的影響越小。

圖3　路面蠕變變形圖

圖4為車輪荷載作用下，路面產生的位移等值線變化圖，從該圖中可了解到路面結構內部發生的位移變化情況，即車輪作用處，路面各節點產生的位移隨著路面深度的增大而增大。

圖4　路面位移等值線圖

2.2應力特征分析

圖5和圖6分別為路面結構層內部剪切應力圖和剪切應力等值線圖。從圖5～6中可以看出，車輪荷載作用影響的范圍外，路面所受的剪切應變大小一致；在車輪荷載作用范圍內，剪應力呈現不均勻分布，其中車輪作用兩側位置的剪應力要高于輪軸中心處的剪應力。此外，Y方向兩側剪應力明顯高于其他。

圖5　路面剪切應力圖

圖6　路面剪切應力等值線圖

2.3特征點力學特征分析

本文著重探討車輪中心位置點的力學特征，并對其合應力、豎向位移、蠕變變形等方面進行詳細分析。圖7為特征點的合應力曲線圖，從圖中可以看出，隨著車輪荷載的作用時間初期，合應力產生突變增大，但隨著荷載作用時間的增加，基本保持不變狀態。

圖8和圖9分別為特征點的豎向位移曲線圖和蠕變變形曲線圖，從這兩個圖中可看出，隨著車輪荷載作用的時間增加，特征點的豎向位移和蠕變變形都逐漸增大，兩者曲線均表現為兩階段變化特征，荷載作用時間初期，增加的幅度最大，隨后幅度逐步減小，并且初期變形程度最大。

圖7　特征點合應力變化曲線圖

圖8　特征點豎向位移曲線圖

圖9　特征點蠕變曲線圖

3　結語

本文利用ANSYS有限元軟件，在車輪荷載作用下對典型瀝青路面結構力學特征進行了數值模擬計算。研究得到了以下主要結論：

(1)應變方面，在車輪荷載的反復作用下，瀝青路面結構層產生明顯的波浪形變，車輪作用處產生凹陷，車輪周邊產生凸起，并且中面層和下面層對車轍變形承擔主要作用；輪軸中心位置產生的蠕變變形最大，輪胎外側產生的蠕變變形次之；路面各節點產生的位移隨著路面深度的增大而增大。

(2)應力方面，在車輪荷載作用范圍內，剪應力呈現不均勻分布，其中車輪作用兩側位置的剪應力要高于輪軸中心處的剪應力。

(3)特征點方面，車輪中心位置點處，合應力在車輪荷載的作用時間初期，產生突變增大，但隨著荷載作用時間的增加，基本保持不變狀態；特征點的豎向位移和蠕變變形均隨荷載作用時間逐漸增大，兩者曲線均表現為兩階段變化特征。

(4)研究表明中面層和下面層對車轍變形承擔主要作用，因此需要對瀝青路面結構變形設計提出更高的要求，同時也表明ANSYS有限元軟件能夠有效地模擬瀝青路面車轍力學變化規律，可為車轍變形研究提供較好的技術手段。

[1]王陸平，閆翠香.濟青高速公路瀝青路面維修后車轍深度數值模擬[J].山西交通科技，2011(4)：10-12.

[2]楊博.基于有限元方法的瀝青路面車轍影響因素分析及其應用研究[D].西安：長安大學，2010.

[3]WuZhong.Finite element simulation of rutting on superpave pavements[D].Manhattan：Kansas State University，2001.

[4]HuaJian-feng，White T.A.study of nonlinear tire contact pressure effects on HMA rutting[J].The International Journal of Geomechanics，2002，2(3)：353-376.

[5]Erkens SMJG，Liu X，Scarpas A.3D finite model for asphalt concrete respone simulation[J].The International Journal of Geomechanics，2002，2(3)：305-330.

[6]BlabR，Harvey J T.Modeling measured 3D tire contacts tress in a viscoelastic FE pavement model[J].The International Journal of Geomechanics，2002，2(3)：271-290.

[7]張久鵬，黃曉明，王曉磊.基于粘彈塑性理論的瀝青路面車轍分析[J].公路交通科技，2007(10)：20-24.

[8]張麗娟，張肖寧，陳頁開.瀝青混合料變形的粘彈塑性本構模型研究[J].武漢理工大學(科學與工程版)，2011(4)：289-292.

[9]汪凡.基于流變學本構模型和動力有限元分析的瀝青路面車轍計算[D].重慶：重慶交通大學，2009.

[10]蔡紅兵，曾志遠，王福建.循環荷載作用下瀝青路面變形的粘彈塑性分析[J].公路交通科技(應用技術版)，2012(10)：50-52，55.

Asphalt Pavement Structure Force Characteristics under Wheel Loads

LAN Ming-xiang

(Xinjiang Xingya Construction Engineering Co.，Ltd.，Urumqi，Xinjiang，831100)

In order to study the structure stress characteristic rules of asphalt pavement under the wheel loads，this article conducted the numerical simulation analysis on the force situation of typical asphalt pavement structure under wheel loads by using ANSYS finite element software.The results showed that：under the wheel loads，the recess deformation occurs at the place with wheel action，with peripheral convex deformation around the wheel，and the middle surface layer and low surface layer have the maximum vertical deformation；the displacement at each pavement node increases with the increase of pavement depth；within the action range of wheel loads，the shear stress shows the non-uniform distribution；at the wheel center point，the combined stress has the mutation increases at early stage of wheel load action time，but then the stress magnitudes keep essentially unchanged；the vertical displacement and creep deformation at characteristic points both gradually increase with the loading action time，and the curve shows the two-stage changing characteristics.

Asphalt pavement；Wheel loads；Rut；Structure force；Mechanical characteristics；Numerical analysis

U416.217

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.08.005

1673-4874(2016)08-0017-05

2016-06-04

藍明祥(1976—)，工程師，主要從事土木工程(路橋)技術研究工作。