高速公路改擴建新舊路面拼接力學響應(yīng)分析

牛京濤，張玉斌

（安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司公路交通節(jié)能與環(huán)保技術(shù)及裝備交通運輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥230008）

1 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，對交通環(huán)境的要求也逐漸提高。高速公路改擴建在今后將會是我國公路建設(shè)的重要任務(wù)之一，改擴建工程存在一定的特殊性及復雜性。高速公路改擴建設(shè)計，應(yīng)遵循“利用與改擴建充分結(jié)合、建設(shè)與營運相互協(xié)調(diào)”的原則，新舊路面的拼接設(shè)計是改擴建工程中的重要環(huán)節(jié)，與施工階段運營期保通方案息息相關(guān)，也與路面銑刨廢舊材料的再生循環(huán)利用相互聯(lián)系。新舊路面拼接部位是改擴建工程路面結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié),合理的拼接方案可以使新舊路面成為一個整體,保證路面結(jié)構(gòu)的耐久性和使用壽命;反之,不合理拼接方案會使路面結(jié)構(gòu)存在安全隱患,降低路面耐久性,縮短路面的使用壽命。

如何科學合理的確定擴建工程新舊路面拼方案，一直是改擴建工程中最重要的設(shè)計環(huán)節(jié)。文章依托G42S上海至武漢無為至岳西段高速公路“四改八”工程，通過數(shù)值模擬分析手段，結(jié)合實際工程情況，利用有限元數(shù)值分析軟件對新老路面拼接結(jié)構(gòu)進行受力分析，為拼接設(shè)計提供理論依據(jù)。研究不同拼接縫起始位置、拼接臺階搭接寬度對拼接結(jié)構(gòu)的力學響應(yīng)，并根據(jù)工程實踐經(jīng)驗，確定最佳的改擴建新舊路面拼接方案。

2 有限元模型及計算假設(shè)

2.1 模型計算理論與假設(shè)

考慮到行駛車輪作用的瞬時性，在路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的黏塑性變形數(shù)量很小，所以對厚度較大、強度較高的高等級路面，將其視作線彈性體，可采用彈性層狀體系理論。采用彈性層狀體系理論引入以下假設(shè)：

①各層連續(xù)、完全彈性、各向同性的，以及位移和形變是微小的；

②最下一層在水平和垂直向下方向為無限大，其上各層厚度有限，水平方向無限大；

③各層在水平方向無限遠處及最下一層向下無線深處，其應(yīng)力、形變、位移為零；

④不計自重。

2.2 計算模型參數(shù)

參照相關(guān)規(guī)范中瀝青路面各結(jié)構(gòu)層材料的參數(shù)值，并考慮運營期路面結(jié)構(gòu)層的疲勞和舊瀝青混合料老化的影響，確定的計算結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

有限元計算采用材料參數(shù) 表1

2.3 有限元模型尺寸

路面寬度方向以第三、四車道中間為中心取11m寬度參與計算；取不小于4m范圍內(nèi)的路基高度參與計算；單元格類型選用plane42。

2.4 施加荷載及位置

圖1 荷載平面分布示意圖

荷載大小采用標準軸載（0.7MPa），考慮第二車道基本不通行大貨車，因此第二車道的荷載應(yīng)進行折減，假定其軸載為0.35MPa。車輛荷載主要技術(shù)指標：兩側(cè)車輪中心線距離取1.8m，車輪著地寬度取0.6m。荷載布置如圖1所示。

2.5 邊界約束條件及計算結(jié)果取值

①邊界約束條件。模型底面無豎向和水平位移，側(cè)面只有豎向位移而無水平位移。

②計算結(jié)果取值。計算結(jié)果以剪應(yīng)力為考察指標。由于拼接縫處、重鋪縫是結(jié)構(gòu)層薄弱部位，因此拼接縫處、重鋪縫處的最大剪應(yīng)力是取值對象。

3 有限元計算結(jié)果

3.1 拼接縫起始位置

計算各種工況下拼接縫處最大剪應(yīng)力，拼接縫起始位置以第2、3車道標線中心為原點向內(nèi)為負向外為正，計算分析的應(yīng)力云圖如圖2所示，各種工況下的計算結(jié)果如表2所示。

為了更直觀對比不同拼接縫起始位置相應(yīng)拼接縫處應(yīng)力，以第一組數(shù)據(jù)為為基準，得到各種工況下最大剪應(yīng)力比值，如圖3所示。

從上圖中可以看出，各拼接縫處的最大剪應(yīng)力隨著拼接縫往外側(cè)（往第三車道）方向移動有逐漸增大然后減小的趨勢。拼接縫1、2、3及整體應(yīng)力水平拼接縫起始位置位于65cm時應(yīng)力最大，從1.3m逐漸減小，在第二、三車道的中間偏內(nèi)40cm以及偏外1.7m時應(yīng)力水平較低。

圖2 有限元計算應(yīng)力云圖

圖3 最大剪應(yīng)力比值與拼接縫位置關(guān)系圖

有限元計算最大剪應(yīng)力表 表2

拼接起始位置與臺階寬度組合方案表 表3

根據(jù)現(xiàn)場施工情況，大型銑刨設(shè)備的工作寬度最小為2m，考慮一定的安全距離應(yīng)保證原硬路肩銑刨2.2m以上。根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果，考慮改擴建工程“保四”的要求以及現(xiàn)場施工便利性，推薦拼接縫起始位置為第二、三車道的標線中心偏外1.3m。

3.2 臺階搭接寬度

為了保證拼接位置不處于車道輪跡帶范圍內(nèi)（車輪著地寬度取60cm），拼接縫起始位置以第2、3車道標線中心為原點，提出臺階寬度組合方案，如表3所示。

計算以上八個方案各個拼接縫處最大剪應(yīng)力，計算結(jié)果如表4所示。

從圖4中可以看出，方案七整體應(yīng)力水平最低，因此，從受力角度考慮，建議采用方案七，即采用面層、基層拼接臺階采用15cm、25cm、200cm的組合方案。

4 結(jié)論

①隨著拼接縫起始位置往外側(cè)（往第三車道）方向移動，新舊路面拼接處應(yīng)力有逐漸增大然后減小的趨勢，位于65cm時整體受力最大，然后逐漸減小。

②考慮改擴建工程“保四”的要求以及現(xiàn)場施工便利性，推薦拼接縫起始位置為第二、三車道的標線中心偏外1.3m。

③為了保證拼接縫位置不處于車道輪跡帶范圍內(nèi)，根據(jù)不同組合方案的有限元計算分析，采用面層、基層拼接臺階采用15cm、25cm、200cm的拼接方案整體應(yīng)力水平最低。

拼接方案計算最大剪應(yīng)力表 表4

圖4 不同方案最大剪應(yīng)力比值比較圖

圖4 不同方案最大剪應(yīng)力比值比較圖