收費廣場與主線路面拼接設計影響因素分析

張勇 于俐婷 高連天 張繼 張久鵬 王富玉 屈甜

摘 要：采用ABAQUS軟件建立收費廣場路面與主線路面拼接模型，基于收費廣場瀝青路面受力特征，結合水平荷載、拼接臺階寬度、摩擦系數以及荷載作用位置等不同因素，對拼接處應力的進行分析。研究結果確定了收費廣場拼接臺階設置為改擴建最優搭接方式，得到收費廣場路面與主線路面拼接處臺階最佳拼接寬度為40～60cm，在此基礎上增大摩擦系數能有效緩解收費廣場搭接處反射裂縫產生，結果可為收費廣場區域拼接處設計提供理論參考與技術借鑒。

關鍵詞：收費廣場? 拼接設計? 瀝青路面? 有限元? 應力

中圖分類號：U417.7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）12（c）-0030-09

Abstract： The ABAQUS software is used to establish the splicing model of the toll plaza pavement and the main line surface. Based on the stress characteristics of the toll plaza asphalt pavement， combined with different factors such as horizontal load， splicing step width， friction coefficient and load acting position， the stress of the splicing place is analyzed. The research results determined that the splicing steps of the toll plaza are the optimal lap method for reconstruction and expansion， and the optimal splicing width of the steps at the joint of the toll plaza road surface and the main line surface is 40cm-60cm. On this basis， increasing the friction coefficient can effectively alleviate the toll plaza. Reflective cracks in the lap joints are produced， and the results can provide theoretical and technical reference for the design of the toll plaza area splicing area.

Key Words： Toll plaza; Splicing design; Asphalt pavement; Finite element; Stress

高速公路收費廣場車輛啟動制動頻繁，普遍存在交通量大、慢速交通密集現象。高速公路改擴建主要通過增加車道數方式滿足交通量增長需求，其中舊路處理再利用、新舊路結構穩定結合以及反射裂縫問題亟需解決。改擴建方式如果處理不當，高速公路的使用功能將因瀝青路面的表面產生的接縫產生嚴重影響。而現有高速公路的改擴建方式主要包括單側和雙側開挖臺階來控制新舊路基的應力位移導致的瀝青面層開裂。

收費廣場與主線路面拼接處與高速公路改擴建拼接處情況類似，不同之處在于設計荷載方向，高速公路的改擴建拼接以豎向荷載為主，收費廣場與主線路面拼接結構，需要考慮車輛制動和啟動作用產生的水平荷載與搭接豎向荷載綜合作用，分析拼接結構內部動力響應[1-4]。

新建瀝青路面收費廣場，當路面結構選擇雙層式瀝青面層時，與之連接的路面大都形成固定的三層式路面，在荷載作用下，兩種不同結構的拼接處成為薄弱環節;若收費廣場瀝青面層結構選擇三層式時，需要考慮到兩種結構在荷載作用下因基層形式的不同所帶來的應力和位移差異。對于改建收費廣場即僅考慮廣場區域路面形式的變更時，舊收費廣場的水泥混凝土面層將成為改建收費廣場的基層形式，因此改建的收費廣場路面結構與主線路面結構的基層形式，加鋪瀝青面層的厚度存在差異的情況下依然需要進行拼接設計。

南秋彩利用ANSYS有限元軟件建立了拼接路面結構模型，結果表明，設置搭接時路面承受應力要明顯小于不設搭接狀態，存在合理的搭接臺階尺寸使得最大剪應力和最大拉應力出于最優狀態[5]。張婷通過調研方法發現我國建設初期的高速公路服務水平和通行能力落后于現有交通發展的需求，大部分高速公路都需要進行改擴建設計，通過有限元計算高速公路不同搭接寬度和荷載作用不同位置的路面力學響應，提出了合理的路面拼接形式和施工注意事項[6]。唐咸遠應用有限元建立了7種高速公路路面拼接模型，通過對不同搭接寬度下的拉應力及剪應力變化規律的研究，確定了改擴建高速公路新舊拼接結構的最優搭接寬度為50cm[7]?？挛暮缿肁BAQUS建立了不同搭接寬度高速公路擴建模型，并分析了荷載位置對瀝青路面結構的內部動力響應，結果得到最大拉應力有所增加，但應力分布較均勻，同時根據對荷載作用位置的研究，確定了荷載最不利位置[8]。樊金山使用ANSYS建立了拓寬路基新老路面搭接問題模型，結果表明新老路面設置搭接臺階可以使新老路面搭接處的受力更加均勻，也可以有效地減小和克服拼接縫處拉應力和剪應力集中的現象，搭接臺階尺寸不小于30cm，拼接縫兩側各50cm范圍屬于荷載不利作用范圍[9]。

分析得出，在不同水平力作用時，頂層接縫處的瀝青面層層底動力響應均為先增大后減小沿道路中線對稱分布趨勢，但峰值存在一定差異，如表2所示。

3種工況條件下，面層層底的最大拉應力均為壓應力（負值），其中減速行駛條件下層底壓應力最小，無水平力條件下次之，加速條件下的壓應力最大，結果表明車輛在減速行駛條件下瀝青面層層底壓應力情況最優，說明針對島前廣場車輛制動減速情況，臺階的置有利于減小瀝青面層層底拉應力。同理，分析剪應力模擬結果，得到車輛減速行駛情況下面層層底剪應力最小，無水平力條件下次之，車輛加速行駛條件下剪應力最大，結果表明車輛在減速行駛條件下瀝青面層層底剪應力情況最優，說明針對島前廣場車輛制動減速情況，該臺階的設置有利于減小瀝青面層層底剪應力，證明島前廣場的設置拼接臺階具備合理性。

3.2 拼接臺階寬度影響

采用豎向荷載和水平荷載共同作用于頂層接縫處，研究收費廣場路面與主線路面拼接處臺階搭接寬度影響，對0cm、30cm、40cm、60cm及120cm5種不同的臺階搭接寬度工況進行瀝青面層層底內部的拉應力和剪應力進行分析，不同搭接寬度下頂層搭接縫處瀝青面層層底拉應力和剪應力情況如圖7和圖8所示。

結果表明，臺階拼接寬度會對瀝青面層層底拉應力和剪應力產生影響，五種不同臺階拼接寬度應力結果不同，均隨道路中線呈軸對稱分布，且搭接臺階寬度下拉應力和剪應力最大值均出現在道路中線處。頂層搭接縫處瀝青面層層底為壓應力，而當臺階拼接寬在0～30cm范圍內變化時，最大壓應力呈現出隨臺階拼接寬度增大而增大的趨勢，而臺階拼接寬度在30～120cm范圍內變化時，其最大壓應力呈現出隨臺階拼接寬度增大而減小的趨勢。分析可得，當臺階拼接寬度為30cm時，其瀝青層底壓應力最大，是模型最不利情況，當模型的臺階搭接寬度為40～120cm，其瀝青層底壓應力小于不設臺階模型時的瀝青層底壓應力，表明此時模型能夠提高其抗裂能力，故應設置臺階拼接寬度為40～120cm。

針對不同拼搭接寬度對瀝青層底橫向剪應力，當臺階拼接寬在0～30cm范圍內變化時，剪應力呈現隨臺階拼接寬度增加而增大的趨勢，當臺階拼接寬度在40～60cm范圍內變化時，臺階搭接寬度增加其剪應力表現出先減小后增大的趨勢，當臺階拼接寬度在60～120cm范圍內變化時，剪應力呈現隨臺階拼接寬度增加而增大的趨勢，但此變化趨勢較小，故可認為在此臺階搭接寬度下對瀝青層底剪應力的影響較小。

提取不同臺階拼接寬度下道路中線處的瀝青層底拉應力及剪應力如圖9和圖10所示。

拼接臺階寬度增加，瀝青層底最大橫向壓應力出現先增大后減小的趨勢，當臺階拼接寬度為40cm時其壓應力值小于不設臺階寬度時的壓應力值，且當搭接寬度為120cm時其壓應力最小，故可認為當臺階拼接寬度大于40cm時臺階的設置對結構有利。針對瀝青層底最大橫向剪應力，當臺階拼接寬度增加時，其瀝青層底最大橫向剪應力表現處先增大后減小再增大的趨勢，當臺階拼接寬度為40～60cm時，其瀝青層底最大橫向剪應力最小，剪應力分析臺階最佳拼接寬度為40～60cm。綜合臺階拼接寬度對瀝青層底拉應力和剪應力均存在影響，在實際鋪設過程中應當考慮設置最佳臺階拼接寬度為40～60cm。

3.3 摩擦系數影響

拼接臺階模型摩擦作用包括豎向摩擦和橫向摩擦兩個部分，均符合庫倫摩擦定律，如圖11所示。豎向摩擦作用于接觸面垂向，相互分離時接觸壓力為零，約束設置失效;橫向摩擦沿接觸面切向發生相互作用，包括相對滑動和摩擦[26]。研究采用庫倫摩擦原理，分析搭接臺階切向摩擦系數對拼接結構頂層搭接縫處瀝青面層層底拉應力和剪應力的影響。

建立30cm、60cm和120cm三個拼接臺階寬度模型在不同拼接臺階橫向摩擦系數下的有限元模型，研究搭接臺階橫向摩擦系數對收費廣場與主線結構拼接結構內部應力的影響，分析其拼接結構頂層搭接縫處瀝青面層層底拉應力和剪應力情況，其數據如表3所示。

當臺階拼接寬度為30cm和60cm時，在拼接臺階摩擦系數從0.2增加到0.7的過程中，拼接結構頂層搭接縫處瀝青面層層底拉應力和剪應力變化并不明顯，基本保持穩定狀態，表明在此工況下拼接臺階摩擦系數對拼接結構應力影響不明顯;當臺階拼接寬度為120cm時，在搭接臺階摩擦系數從0.2增加到0.7的過程中，拼接結構頂層搭接縫處瀝青面層層底拉應力數值逐漸減小，而剪應力則基本不變保持穩定，如圖12及13所示。

分析表明，搭接臺階摩擦系數從0.2到0.7的增加過程中，隨著搭接臺階寬度的增大，搭接臺階的摩擦系數對拼接結構頂層搭接縫處瀝青面層層底拉應力影響越來明顯，從拉應力的數值來看，增大搭接臺階的摩擦系數，瀝青面層層底拉應力數值減小，可以降低搭接縫頂層產生反射裂縫的風險，但搭接臺階的橫向摩擦系數對拼接結構頂層搭接縫處瀝青面層層底剪應力的影響并不明顯。綜合分析可得，搭接臺階的切向接觸摩擦系數選擇接近應于1，即可以通過撒布粘層油和鋪設土工格柵的方式，增大臺階的橫向摩擦系數，在一定程度上控制搭接縫瀝青路面層底混合料反射作用產生。

4? 結論

（1）對現有收費廣場路面進行調查研究，分析收費廣場與主線路面結構的裂縫產生原因，利用有限元軟件建立收費廣場路面與主線路面拼接模型，驗證了臺階拼接方法實現應力緩解可行性。

（2）分析無水平荷載，制動水平荷載和加速水平荷載條件下，拼接結構接縫處瀝青面層層底拉應力及剪應力變化情況，表明島前廣場拼接結構設計可以良好利用汽車制動以及汽車加速所帶來的水平力，使得瀝青層層底拉應力和剪應力保持在較低水平，表明臺階搭接模型考慮水平力作用具備實際意義。

（3）建立0cm、30cm、40cm、60cm及120cm5種臺階搭接寬度工況模型，對頂層拼接縫處瀝青面層層底的拉應力和剪應力進行研究，分析得出搭接寬度為40～60cm時，頂層拼接縫處瀝青面層層底的拉應力和剪應力均保持在較小范圍內，故收費廣場路面最優搭接寬度范圍為40～60cm。

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