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投稿须知 2019WTC专题
重载作用下沥青路面力学响应有限元分析
编辑:封彦珠 来源:bet356娱乐场官网 时间:2017-07-17 13:28:15

  截至2016 年底,我国高速公路总里程突破13万公里,其中,绝大部分属于半刚性基层沥青路面,水泥稳定碎石基层沥青路面则是我国高速公路最主要的路面结构类型。据统计,随着我国交通运输的发展,大多数高速公路车辆超载现象极为严重,车辆轴载从路面设计标准轴载100KN 增加到200 KN~ 300KN ;轮胎充气压力从额定值0.7 MPa 增加到1.0MPa ~1.2MPa。这种交通现状极易导致沥青路面出现早期损坏,而路面永久变形和疲劳开裂成为沥青路面的主要病害之一。

  路面结构材料设计参数

  沥青面层

  根据我国公路沥青路面设计规范(JTG D50-2006)材料设计参数推荐结合工程实践经验确定沥青面层材料在不同温度下的弹性模量及泊松比。

  水泥稳定碎石基层

  本文采用骨架密实结构的水泥稳定碎石级配,充分发挥其优越的抗疲劳性能和抗收缩性能。水泥稳定级配碎石的平均静态回弹模量值为1423MPa。路面结构计算使用时基层取整为1500MPa,底基层取整为1400MPa,泊松比为0.25。

  路基

  路基回弹模量值确定为50MPa,泊松比为0.35。

  路面结构建模分析

  沥青路路面结构计算采用有限元模型。模型半径R取为1.65m,高度H 取为1.5m 的1/4 圆柱体。我国现行沥青路面的荷载模式为半径为10.65cm 的双圆均布荷载,轮胎压力为0.7Mpa。假定圆柱体底面完全约束、垂直周围面无变形。为节约计算时间,模型取1/4 圆柱体。

  确定沥青路面结构相关参数

  本文采用ANSYS 有限元分析App研究水泥稳定碎石半刚性基层沥青路面在重载作用下路面结构力学响应的特性。

  路面结构组成

  本文有限元分析沥青路面结构的类型分为13 种。

  重载车辆相关参数计算

  为便于计算和分析,根据Gro enendijk,Ronal dBlab 等的研究,仅考虑竖向接触应力,不考虑水平向接触应力。轮胎与路面接触形式为圆形,且均布荷载。本文以我国路面结构设计标准轴载100KN 为基准,重载作用的工况分别取基准轴载的100%、200%、300%,

  计算不同轴载的接地压力。

  沥青路面结构有限元模型水平分圈第一圈荷载作用半径取值14、16、17(cm),后面分圈的半径无论接地压力及荷载作用半径如何变化,假定相同,从二到十六圈依次为25、35、45、55、65、75、85、95、105、115、125、135、145、155、165(cm)。沥青路面结构有限元模型竖向总共划分25 层。面层18cm 平均划分18 层;基层36c m 平均划分两层;底基层32c m 平均划分两层;最后路基划分两层,一层为32cm,另一层视情况调整,总高度控制为150cm。

  沥青路面结构有限元计算结果

  路面结构有限元分析过程

  采用ANSYS 有限元App计算路面结构永久变形,从而控制路面使用性能。假定路面结构所处温度分别5℃、20℃、30℃3 种情况,即面层材料模量随温度变化而变化;水泥稳定碎石基层沥青路面结构根据面层厚度不同分为A、B、C、D 和E5 种情况;随着荷载的变化,接地压力分为a、b、c3 种情况,文中水泥稳定碎石基层沥青路面结构有限元分析的设计情境为15种情况。

  路面结构有限元计算结果

  计算结果分析

  不同温度下路面结构永久变形对比分析

  5℃时,路面结构面层弹性模量较大,整体竖向变形较小,最大永久变形为0.438mm。随着接地压力的增大,路面竖向变形增大。假定路面结构为弹性体时,接地压力与竖向变形成线性关系,从0.81MPa 增大到1.63MPa,竖向变形约增加0.255mm~ 0.275mm,变形增长率约169% ~ 172%。中面层厚度的增加,有利于减小路面结构竖向变形,但其减小能力变弱,每增加1cm,竖向变形减小0.002mm ~ 0.004mm。

  20℃时,随着接地压力的增大,路面竖向变形增大, 从0.81MPa 增大到1.63MPa, 竖向变形约增加0.338mm ~0.348mm,每增加1MPa,竖向变形约增加0.4mm,变形增长率约122% ~ 126%,因此,接地压力的增大,对路面结构永久变形的影响较大。中面层厚度每增加1cm,竖向变形减小0.001mm ~ 0.004mm。30℃时,路面永久变形最大值为0.644mm,远大于重载作用下路面结构的容许弯沉值。路面结构30℃随着接地压力的增大,路面竖向变形增大,从0.81MPa 增大到1.63MPa,竖向变形约增加0.384mm ~ 0.388mm,变形增长率约151% ~ 52%。中面层厚度每增加1cm,竖向变形减小0.001mm ~0.006mm。

  路面结构垂直应力综合分析

  路面结构有限元分析可知,垂直应力的最大值一般发生在路面结构的第三层或第四层,即中面层的表面或上面层的底部。相同条件下,20℃时,路面结构承受的垂直应力值大于5℃时,并且与30℃时几乎相同,个别略大于。但是20℃时路面结构的永久变形要大于5℃时,小于30℃时。20℃时,标准轴载A 系列的永久变形满足重载交通的弯沉要求。

( 来源: bet356娱乐场官网 编辑:封彦珠 )

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