基于ANSYS的柔性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)特性分析

梁 穎 慧

(上海城建職業(yè)學(xué)院，上海 200438)

基于ANSYS的柔性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)特性分析

梁 穎 慧

(上海城建職業(yè)學(xué)院，上海 200438)

運(yùn)用有限元軟件ANSYS，對(duì)柔性基層路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下的數(shù)值模擬，分析柔性基層路面結(jié)構(gòu)各層彎沉w和應(yīng)力σ等的力學(xué)特性。通過(guò)分析得出標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下路面彎沉w和應(yīng)力σ的大小分布情況，可為充分理解柔性基層路面結(jié)構(gòu)力學(xué)特性并進(jìn)一步進(jìn)行道路的設(shè)計(jì)提供一定的參考和依據(jù)。

ANSYS，柔性基層，力學(xué)特性

0 引言

我國(guó)幅員遼闊，不同的地區(qū)氣候和地質(zhì)條件可能差別較大，原則上各地區(qū)需采用與環(huán)境條件相適應(yīng)的不同的路面結(jié)構(gòu)形式，但現(xiàn)有的路面結(jié)構(gòu)形式(含面層、基層等)比較單一。已建成的高等級(jí)瀝青路面中，大多以半剛性材料作為基層[1]。隨著道路使用年限的增長(zhǎng)，半剛性基層瀝青路面的缺點(diǎn)也逐漸顯現(xiàn)出來(lái)：材料的收縮性較大，容易引起路面的反射裂縫；材料致密，滲水和排水性能較差；對(duì)超載車的軸載敏感性較強(qiáng)，且愈合能力較差，損壞后無(wú)法進(jìn)行修補(bǔ)，只能重建，故道路養(yǎng)護(hù)較困難，損壞后極易影響道路的服務(wù)水平和使用性能。20世紀(jì)70年代后，柔性基層瀝青路面逐漸成為國(guó)際上高等級(jí)瀝青路面主流結(jié)構(gòu)型式[1]。根據(jù)國(guó)外大量應(yīng)用及研究經(jīng)驗(yàn)，柔性基層具有較高的抗剪強(qiáng)度、抗彎拉強(qiáng)度和耐疲勞性能，不易產(chǎn)生收縮以及引起路面開裂，受水的影響較小，平整度較好故路面結(jié)構(gòu)受力均勻，維修較方便且費(fèi)用較低，從而瀝青路面的使用壽命較長(zhǎng)，使用性能較高。國(guó)內(nèi)對(duì)于柔性基層的研究相對(duì)較晚，參考統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，柔性基層的瀝青路面結(jié)構(gòu)在我國(guó)高等級(jí)公路建設(shè)中正逐漸被接受和使用，因此，更加深入系統(tǒng)地研究柔性基層，對(duì)優(yōu)化我國(guó)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)而推動(dòng)路面結(jié)構(gòu)的多樣性發(fā)展意義深遠(yuǎn)。

1 路面結(jié)構(gòu)假設(shè)及參數(shù)設(shè)置

1.1 基本假設(shè)

1)模型尺寸確定。模型的尺寸過(guò)大容易造成工作量的增加并影響分析速度，尺寸過(guò)小致使結(jié)果真實(shí)性較差，故模型尺寸的確定尤為重要。根據(jù)文獻(xiàn)參考及多次計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，為了弱化邊界效應(yīng)，確定模型沿道路中心線的縱向及土基深度方向、路堤左右邊坡坡腳處橫向向外延伸范圍均為5 m，路面結(jié)構(gòu)厚度依據(jù)公路路面結(jié)構(gòu)選取。

2)道路材料模型。當(dāng)應(yīng)力等級(jí)較低時(shí)，路基路面材料均顯現(xiàn)為線彈性特性，結(jié)合實(shí)際車載情況，對(duì)路基路面各層材料均采用線彈性模型來(lái)模擬，對(duì)應(yīng)的表征參數(shù)為回彈模量和泊松比[2]。

3)模型層間接觸條件。根據(jù)現(xiàn)有的瀝青路面設(shè)計(jì)理論，數(shù)值模擬采用彈性層狀體系的基本假定，層間接觸或位移完全連續(xù)。

4)模型邊界條件。在路基中采用底面與側(cè)面全部固定的方式，頂面自由無(wú)約束。底面與側(cè)面限制X,Y,Z方向的位移，即Ux=Uy=Uz=0。

5)模型網(wǎng)格劃分與單元型式。網(wǎng)格劃分時(shí)規(guī)則部分采用尺寸15 cm，路堤邊坡截面網(wǎng)格采用梯形。分析模型采用構(gòu)造三維固體結(jié)構(gòu)的Solid45單元，通過(guò)8個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)沿著X,Y,Z方向平移有3個(gè)自由度。

1.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)定

本文選用某典型分離式路基公路為研究實(shí)體，單向路面寬度12 m，兩車行道，土基深度方向取5 m，路堤高度約2.5 m，填方邊坡坡度1∶1.5，橫向研究范圍延伸至土基外5 m。路面結(jié)構(gòu)參數(shù)參考規(guī)范，如表1所示[3]，結(jié)構(gòu)整體幾何橫斷面如圖1所示。

表1 路面結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 路面結(jié)構(gòu)有限元模型

2.1 輪載作用范圍

綜合國(guó)內(nèi)外以往的研究資料及具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，輪胎的接地面更接近于長(zhǎng)橢圓形或者矩形等形狀，尤其當(dāng)荷載較大時(shí)，如載重車的輪胎接地面更接近于矩形。

黃仰賢的研究認(rèn)為輪胎與路面的實(shí)際接觸面應(yīng)由一個(gè)矩形和兩側(cè)的半圓形組成，同時(shí)接觸面可以等效為一個(gè)矩形(見圖2)，其長(zhǎng)度L′=0.871 2L，寬度B′=0.6L，則等效的矩形面積為0.522 7L2。參考我國(guó)現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范，以標(biāo)準(zhǔn)單軸雙輪組BZZ-100作為計(jì)算軸載作用于4個(gè)輪胎上，故單輪軸載F=25 kN，輪胎接地壓強(qiáng)為P=0.7 MPa。假定接觸壓力等于胎壓，則L,L′,B′的計(jì)算公式分別如下所示[4]。且根據(jù)上述分析，本次數(shù)值模擬時(shí)采用雙矩形截面形式(見圖3)，并假定應(yīng)力在作用面內(nèi)均勻分布。通過(guò)計(jì)算，輪胎受力面積為70 668 mm2。

L′=0.871 2L=228 mm。

B′=0.6L=157 mm。

根據(jù)輪胎作用在路面上的范圍及位置荷載的分布，如圖4所示。ANSYS計(jì)算時(shí)，模型的加載形式采用垂直均勻標(biāo)準(zhǔn)軸載，壓力為0.7 MPa。

2.2 模型建立

依據(jù)上述路面結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)定情況，建立公路整體三維模型如圖5所示，行車道寬度為3.75 m，汽車荷載按照車輛行駛在車道中央進(jìn)行設(shè)置。

3 數(shù)值模擬分析

本文主要分析路面在標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下各結(jié)構(gòu)層的彎沉w和應(yīng)力σ的力學(xué)特性，并了解這兩種指標(biāo)在路面結(jié)構(gòu)中分布情況，從而更加深入的理解柔性基層路面結(jié)構(gòu)特性。分析時(shí)主要針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下道路橫向斷面和道路縱向斷面進(jìn)行。

3.1 路面結(jié)構(gòu)彎沉值分析

經(jīng)過(guò)有限元分析計(jì)算，各結(jié)構(gòu)層縱、橫向斷面彎沉值w分布情況如圖6所示。

通過(guò)數(shù)據(jù)與圖形可以看出，在標(biāo)準(zhǔn)軸載作用范圍內(nèi)，路面結(jié)構(gòu)彎沉值w沿道路縱向成倒三角錐形式，在作用點(diǎn)處各層位移最大，隨著距離增加各層位移逐漸減小；沿道路橫向斷面在軸載作用范圍的中間位置影響相互疊加，成倒馬鞍形，在兩車輪下位移最大，輪距中間位置彎沉值較小，這也與實(shí)際道路使用情況及損壞情況相符。且分析可見，荷載作用對(duì)面層的彎沉值影響較為顯著，隨著道路深度的增加影響效應(yīng)逐漸減小。

3.2 路面結(jié)構(gòu)豎向應(yīng)力分析

經(jīng)過(guò)有限元分析計(jì)算，各結(jié)構(gòu)層縱、橫向斷面豎向應(yīng)力σy分布情況如圖7所示。

通過(guò)數(shù)值模擬得出，豎向應(yīng)力最大值出現(xiàn)在面層，約為基層豎向應(yīng)力大小的3倍。豎向應(yīng)力效應(yīng)范圍主要集中在標(biāo)準(zhǔn)軸載的作用區(qū)域，兩輪距中間位置豎向應(yīng)力較小，車輪作用范圍之外影響同樣相對(duì)較小，荷載對(duì)路面結(jié)構(gòu)面層和基層影響較為顯著，應(yīng)力值沿豎向加速遞減，這表明在道路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)面層和基層材料有較高要求。

3.3 路面結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力分析

經(jīng)過(guò)有限元分析計(jì)算，各結(jié)構(gòu)層縱、橫向斷面剪應(yīng)力分布情況如圖8所示。

通過(guò)豎向剪切應(yīng)力數(shù)據(jù)與圖形可以看出，荷載對(duì)剪應(yīng)力的影響范圍主要集中在作用區(qū)域，對(duì)周圍區(qū)域影響相對(duì)較小，路面面層中剪應(yīng)力最大，隨著距車輪作用點(diǎn)距離的增加剪應(yīng)力衰減較快。

4 結(jié)語(yǔ)

本文依據(jù)某一柔性基層結(jié)構(gòu)的道路建立ANSYS有限元模型并進(jìn)行柔性基層路面結(jié)構(gòu)各層的彎沉值w、豎向應(yīng)力σy以及剪應(yīng)力σxz的數(shù)值分析，得出標(biāo)準(zhǔn)軸載對(duì)柔性基層路面結(jié)構(gòu)的影響范圍和程度，并反映出道路易損毀的部位，可為柔性基層道路設(shè)計(jì)與建設(shè)時(shí)的路面結(jié)構(gòu)厚度、材料等的選取提供一定的參考。

[1] 王 璜.柔性基層瀝青路面彎沉設(shè)計(jì)指標(biāo)體系研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)碩士論文，2011.

[2] 趙鴻鐸，梁穎慧.基于有限元分析的瀝青路面自振頻率研究[J].交通信息與安全，2012，2(30):10-15.

[3] JTG D50—2006,公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] 趙 磊.半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)碩士論文，2009.

ThemechanicalpropertyanalysisofasphaltpavementstructurewithflexiblebasebasedonANSYS

LiangYinghui

(ShanghaiUrbanConstructionVocationalCollege,Shanghai200438,China)

Using the finite element software ANSYS, the numerical simulation of the flexible base pavement structure under the standard axle load is carried out to analyze the mechanical properties of the flexuralwand the stressσ. Through the analysis of the standard axle load heavy pavement flexuralwand the stressσ, it is possible to provide some reference and basis for fully understanding the mechanical properties of the pavement structure, and further selecting the parameters of the road design.

ANSYS, flexible base, mechanical properties

U416.217

：A

1009-6825(2017)24-0141-03

2017-06-13

梁穎慧(1986- )，女，工程師