基于有限元的傳感器變形協(xié)調(diào)性能研究

樊云龍,朱宇杰

（江蘇高速公路工程養(yǎng)護(hù)技術(shù)有限公司,江蘇 南京 210000）

0 引言

近年來，傳感器測(cè)試技術(shù)在瀝青路面工程中廣泛應(yīng)用，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部不同位置的力學(xué)響應(yīng)狀態(tài)[1]。由于埋入式應(yīng)變傳感器與路面結(jié)構(gòu)模量差過大，容易產(chǎn)生交互影響及變形不協(xié)調(diào)，影響傳感器的測(cè)量準(zhǔn)確性和耐久性。因此，研究傳感器與瀝青路面結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作機(jī)理，從而提高傳感器在瀝青路面中的服役性能顯得尤為重要。

眾多學(xué)者對(duì)埋入式應(yīng)變傳感器在瀝青路面中應(yīng)用的問題已做了大量研究，鐘陽等人將自制的應(yīng)變傳感器埋入瀝青混凝土路面內(nèi)部，用以監(jiān)測(cè)路面結(jié)構(gòu)的內(nèi)部應(yīng)變，對(duì)路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)變響應(yīng)隨車速的變化規(guī)律進(jìn)行了研究分析[2]。董澤蛟等人以尼龍節(jié)點(diǎn)將兩個(gè)水平向應(yīng)變傳感器和一個(gè)豎向應(yīng)變傳感器進(jìn)行固結(jié)，使之成為能測(cè)量三維應(yīng)變的傳感器組，實(shí)現(xiàn)了埋入式傳感器對(duì)路面內(nèi)部三維應(yīng)變信息的獲取[3]。廖公云依托室內(nèi)試驗(yàn)，在瀝青路面結(jié)構(gòu)水穩(wěn)碎石基層中埋設(shè)了VS-10振弦式應(yīng)變傳感器與VSP520-4土壓力盒，對(duì)瀝青混凝土面層和水泥穩(wěn)定碎石基層的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并基于雙層彈性體系理論對(duì)路面結(jié)構(gòu)層的回彈模量進(jìn)行了反算驗(yàn)證[4]。楊永順以傳感器實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用SPSS軟件建立了瀝青層底應(yīng)變響應(yīng)的預(yù)估模型，揭示了不同路面結(jié)構(gòu)的瀝青層底應(yīng)變響應(yīng)隨荷載和溫度等因素的變化規(guī)律[5]。董忠紅使用了自主研發(fā)的能同時(shí)測(cè)量路面內(nèi)部橫向、縱向和垂向應(yīng)變的傳感器，研究分析了軸重與坡道位置對(duì)路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部力學(xué)響應(yīng)的影響[6]。艾長(zhǎng)發(fā)在三種典型的瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部分別沿著行車方向和垂直于行車方向埋設(shè)了ASG電阻式應(yīng)變傳感器，基于所采集的數(shù)據(jù)得到了FWD沖擊荷載和標(biāo)準(zhǔn)軸載之間的換算關(guān)系[7]。

現(xiàn)有研究多以所使用的埋入式傳感器為研究對(duì)象，然而目前應(yīng)用于瀝青路面工程中的埋入式應(yīng)變傳感器的尺寸各不相同，傳感器封裝材料種類繁多，現(xiàn)有成果多有局限性。針對(duì)現(xiàn)有的瀝青路面埋入式應(yīng)變傳感器模量過高，與瀝青混合料的模量差較大的問題，利用ABAQUS有限元軟件，建立在標(biāo)準(zhǔn)交通荷載條件下埋入應(yīng)變傳感器的路面結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型，分析埋入式應(yīng)變傳感器和路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)特征，對(duì)埋入式應(yīng)變傳感器與路面結(jié)構(gòu)的交互影響進(jìn)行研究，研究成果可為半剛性基層路面的傳感器埋設(shè)提供一定的理論依據(jù)。

1 有限元模型建立

該文采用常規(guī)典型路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元數(shù)值模擬分析，研究埋設(shè)傳感器對(duì)路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響。路面結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)見表1。路面結(jié)構(gòu)采用分層結(jié)構(gòu)，埋入式應(yīng)變傳感器模型參考H1204埋入式應(yīng)變傳感器，尺寸如圖1所示。

圖1 H1204埋入式應(yīng)變傳感器的結(jié)構(gòu)尺寸示意圖

表1 路面結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)

傳感器與瀝青混合料的法向接觸設(shè)定為硬接觸，切向接觸選擇Penalty摩擦接觸，摩擦系數(shù)為0.7，初始施加荷載采用標(biāo)準(zhǔn)荷載0.7 MPa。模型底部各方向位移約束為零，左右兩個(gè)側(cè)面處水平位移約束為零。建立的三維路面結(jié)構(gòu)模型見圖2。

圖2 有限元模型

在網(wǎng)格功能模塊中對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，首先對(duì)模型進(jìn)行剖分，剖分出荷載作用的局部區(qū)域，之后在荷載作用處、路面結(jié)構(gòu)的面層層位以及傳感器范圍內(nèi)的試件部分進(jìn)行網(wǎng)格加密，劃分成最小網(wǎng)格尺寸5 mm的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格單元類型為C3D8R，網(wǎng)格劃分結(jié)果見圖3。

圖3 網(wǎng)格劃分示意圖

2 傳感器對(duì)路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響分析

為分析傳感器埋設(shè)對(duì)于路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響，使用將傳感器埋設(shè)在有限元模型的基層中心頂部的模型及沒有埋設(shè)傳感器的有限元模型，在標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下，分別進(jìn)行有限元數(shù)值模擬得到埋設(shè)傳感器的路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)。傳感器埋設(shè)路面結(jié)構(gòu)截面水平應(yīng)力分布及水平應(yīng)變分布云圖如圖4所示。可以看出，中性軸位于中心線，瀝青混合料與傳感器接觸面附近存在應(yīng)力突變現(xiàn)象，傳感器中部附近應(yīng)變發(fā)生小范圍突變。

圖4 有無傳感器路面結(jié)構(gòu)水平應(yīng)力、應(yīng)變剖面云圖

水平橫向應(yīng)力深度分布曲線如圖5所示，可以看出，僅傳感器處出現(xiàn)應(yīng)力集中，無傳感器時(shí)相同位置水平應(yīng)力分布平滑。除傳感器外的其他區(qū)域水平應(yīng)力并沒有發(fā)生明顯的變化，傳感器的影響范圍較小。

圖5 有無傳感器水平橫向應(yīng)力深度分布曲線

水平橫向應(yīng)變深度分布曲線如圖6所示，可以看出，傳感器處出現(xiàn)較小的波動(dòng)，其他位置無明顯變化。相對(duì)于對(duì)水平應(yīng)力分布的影響，傳感器的埋入對(duì)水平應(yīng)變的影響相對(duì)更小。

圖6 有無傳感器水平橫向應(yīng)變深度分布曲線

3 不同層位組合埋設(shè)影響分析

在路面結(jié)構(gòu)單一層位埋設(shè)傳感器對(duì)傳感器附近路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)有明顯影響，但影響范圍并不很大。然而在實(shí)際情況中，會(huì)出現(xiàn)需要在路面不同層位同時(shí)埋設(shè)傳感器的需求，此時(shí)多個(gè)傳感器組合埋設(shè)對(duì)于路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響是值得去關(guān)注的。該研究將傳感器豎向排列組合埋設(shè)在下面層、上基層、下基層、底基層的頂部，在標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下，進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，得到路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)。

傳感器埋設(shè)截面水平應(yīng)力、應(yīng)變分布云圖如圖7所示。可以看出，中性軸位于中心線，瀝青混合料與傳感器接觸面存在應(yīng)力、應(yīng)變突變現(xiàn)象，整體分布沒有太大差異，傳感器埋設(shè)影響范圍較小。

圖7 組合埋設(shè)水平應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D

水平橫向應(yīng)力深度分布曲線如圖8所示，可以看出，僅在各傳感器附件處出現(xiàn)應(yīng)力突變，無傳感器時(shí)相同位置水平應(yīng)力發(fā)展平滑。除埋設(shè)傳感器區(qū)域外的其他區(qū)域水平應(yīng)力與不埋設(shè)傳感器的情況相比沒有發(fā)生明顯的變化，說明上下組合排列埋設(shè)的傳感器對(duì)路面結(jié)構(gòu)影響范圍較小。

圖8 組合埋設(shè)水平應(yīng)力曲線

水平橫向應(yīng)變深度分布曲線如圖9所示，可以看出，傳感器附近出現(xiàn)較小的波動(dòng)，無傳感器時(shí)相同位置應(yīng)變發(fā)展平滑，其他位置相比較無明顯變化。相對(duì)于對(duì)水平應(yīng)力分布的影響，傳感器的埋設(shè)對(duì)水平應(yīng)變的影響相對(duì)較小。

圖9 組合埋設(shè)水平應(yīng)變曲線

4 結(jié)語

（1）傳感器埋設(shè)在路面結(jié)構(gòu)中對(duì)路面力學(xué)響應(yīng)具有顯著影響，在傳感器與路面結(jié)構(gòu)接觸面附近出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，水平應(yīng)力、應(yīng)變都會(huì)出現(xiàn)小范圍的突變，但水平應(yīng)變的波動(dòng)明顯小于水平應(yīng)力。

（2）通過組合式埋設(shè)傳感器有限元模擬，發(fā)現(xiàn)在路面不同層位同時(shí)埋設(shè)傳感器時(shí)，在各傳感器與路面結(jié)構(gòu)的接觸面附近出現(xiàn)應(yīng)力集中，其他區(qū)域受傳感器影響很小，且傳感器之間沒有明顯的相互影響。

（3）該文研究成果可為高速公路路面的傳感器埋設(shè)提供一定的理論依據(jù)。