持續高溫重載條件下車轍發展規律

張 蘭 峰

(廣東交通職業技術學院，廣東 廣州 510650)

車轍作為瀝青路面特有的破壞形式,主要是輪跡帶處的路面材料在車輛荷載的反復作用下產生壓實和側向剪切永久變形[1]。路面在使用過程中經受著持續變化的氣溫、太陽輻射、地面反射等影響[2]，瀝青混合料屬于熱敏感性材料,溫度顯著影響其力學特性。在分析路面車轍時,不能忽略外界氣溫連續變化對路面結構內溫度的影響。路面結構層采用單一不變的溫度來分析計算車轍是不符合實際狀況的。本文通過ABAQUS有限元計算得在溫度連續變化時瀝青路面的溫度場,在更符合實際的瀝青路面連續變溫條件下進行車轍變形模擬分析,研究路面車轍與氣候、荷載條件的關系。首先采用ABAQUS有限元軟件建立路面結構溫度場模型,進行熱傳導分析,在此模型基礎上進行路面車轍計算。

1 建立溫度場模型

采用典型的半剛性基層路面結構建立模型，為了更實際模擬溫度變化條件下路面結構溫度場的情況,需作如下假設:1)路面各層為各向同性材料,層間接觸連續、熱流傳導連續;2)水平方向不存在溫度梯度。

1.1 路面結構參數

半剛性基層路面結構參數參考[3,4],如表1～表3所示。

表1 路面溫度場分析熱特性參數表

表2 瀝青混合料彈性參數

表3 基層和土基材料的彈性參數

1.2 周期性變溫下的溫度場理論

路面溫度場模型中，采用周期性變化的邊界條件近似模擬環境溫度呈周期性變化的實際情況。由于作用于路面模型的邊界條件呈周期性變化,所以其溫度場解也呈現周期性變化[5]。

1)太陽輻射的影響。

同濟大學嚴作人等人將太陽輻射日變化過程近似地描述為:

(1)

其中，Q0為單位時間最大輻射量，J/m2,Q0=0.131mQs,m=12/c；Qs為日太陽輻射總量，J/m2;c為實際日照時間，h;ω為頻率，ω=2π/24，rad。

2)氣溫的影響。

大氣溫度呈日周期性變化，這種變化可采用兩個正弦函數的線性組合方程來表示為:

(2)

3)路面有效輻射。

路面有效輻射受地面溫度、氣溫、云量、空氣濕度等影響，所以路面有效輻射需要修正。修正后的路面有效輻射如式(4)所示:

qF=εδ[(T1|z=0-Tz)4-(Ta-Tz)4]

(4)

其中，qF為地面有效輻射，W/(m2·℃);ε為路面反射率;δ為Stefan-Boltzmann常數，δ=5.669 7×10-8W/(m2·K4);T1|z=0為路表溫度，℃;Ta為大氣溫度，℃;Tz為絕對零度值，Tz=-273 ℃。

瀝青路面溫度場模擬需要明確某一天24 h連續變化的溫度,計算選取夏季具有代表性一天的溫度，詳細溫度見表4。

表4 高溫季節1天24 h溫度表

1.3 模型建立要點

溫度場模型為寬度為7.5 m,高度為3 m模型，單元類型為DC2D8(8結點四邊形熱傳導單元)，見圖1。在Step模塊,將創建用于溫度荷載加載分析的steady heat transferd穩態分析步和transit heat transfer瞬態分析步。溫度場荷載通過調用用戶子程序來實現,在子程序中設定日照時間、日太陽輻射總量、中午最大輻射量、頻率、太陽輻射吸收率、路面熱流量等參數。定義路面同周圍大氣進行熱交換的過程是通過相互作用定義的。在進行熱流交換時是通過定義子程序來實現,子程序中需設定對流系數、日平均風速、日最高氣溫、日最低氣溫、日氣溫變化幅度、日平均氣溫、氣溫變化時間差、頻率等參數[6]。

根據圖2得到，路表溫度最高時刻為14：00，溫度為55 ℃，溫度云圖如圖3所示；路表最低溫度時刻為6:00，溫度為25 ℃，溫度云圖如4所示。

2 計算結果分析

車轍模型尺寸和網格劃分與溫度場模型相同，但車轍模型的單元類型為CPE8R(8結點平面應變四邊形減縮積分單元)。

2.1 車轍與速度、接地應力關系

影響車轍的主要因素有溫度、荷載作用時間、荷載作用大小，荷載作用時間主要通過車輛行駛速度來體現。模擬分析行車速度分別設為v=30 km/h，v=60 km/h，v=80 km/h，v=100 km/h，v=120 km/h。荷載作用大小通過接地應力體現，接地應力分別設為p=0.7 MPa，0.9 MPa，1.1 MPa，1.3 MPa，1.5 MPa，1.7 MPa,假定荷載累積作用次數為50萬次，通過分析計算研究車轍與行車速度、接地應力關系。

由圖5可知，在相同的接地應力和荷載次數作用下，行車速度越慢，荷載作用時間越長，造成車轍深度會越大，從30 km/h增加到60 km/h，車轍深度減少32.5%；從60 km/h增加到80 km/h，車轍深度減少12.4%；從80 km/h增加到100 km/h，車轍深度減少9.23%；從100 km/h增加到120 km/h，車轍深度減少7.92%。在相同的行駛速度和荷載次數作用下，接地應力越大，車轍深度越大，并且可以得到車轍與接地應力呈線性關系，接地應力每增加0.2 MPa，車轍深度增加大約為24.67%。超載時，一般車速行駛較慢，而且接地應力較大，是導致車轍加劇雙重因素的結合。要嚴格控制超載問題，這是減小車轍的重要方法。

2.2 車轍與荷載累積作用次數關系

隨著行駛車輛的增加，瀝青路面出現車轍破壞的時間在提前。分析荷載所用次數與車轍深度的關系時，設定接地壓力0.7 MPa，研究不同行車速度下荷載作用1萬次、10萬次、50萬次、100萬次的車轍深度，見表5。在step中荷載累計作用時間計算公式：

(4)

其中，t為輪載累積作用時間，s；N為輪載作用次數，次；P為車輛軸重，kN；nw為軸的輪數，個；p為輪胎接地壓力，MPa;B為輪胎接地寬度，cm;v為行車速度，km/h。

表5 接地應力0.7 MPa,荷載作用次數等效時間表 s

從圖6可以得到，當接地應力相同時，荷載作用次數越大，車轍深度也越大，荷載作用次數為從1萬次增加到10萬次，車轍深度增加130.2%；荷載作用次數為從10萬次增加到50萬次，車轍深度增加103.1%；荷載作用次數為從50萬次增加到100萬次，車轍深度增加85.6%。進行合理交通管制，分流交通荷載，降低荷載作用次數，也是降低車轍深度的有效方法。

3 結語

1)路面結構溫度隨時間和結構層深度連續變化,影響隨溫度變化的材料特性,在ABAQUS有限元軟件中,引入連續變溫的路面溫度場進行路面車轍模擬更加符合實際狀況。

2)行駛速度對車轍有重要影響，在相同的接地應力和荷載次數作用下，行車速度越慢，車轍深度越大。這符合實際情況，在長大縱坡和收費站、停車場、紅綠燈口處的車轍較路面其他位置嚴重。

3)輪胎充氣壓力和載荷對路面的作用體現在接地應力上，在荷載作用次數相同情況下，接地應力越大，車轍深度越大，且接地應力與車轍深度呈線性關系。

4)在瀝青混合料配合比設計中,夏季溫度較高且持續時間長的地區，鋪設瀝青路面，必須著重關注高溫條件下瀝青混凝土的抗車轍性能;在路面使用過程中,應盡量控制超載,防止車轍快速發展。