沥青加筋路面有限元分析

马琳 丁峰 张卫星

本文中沥青路面加筋体采用的玻璃纤维格栅(GLASGRID)是一种性能优异的新型路面增强材料,它不但具有价格便宜、适用范围广、方便施工等特点,而且可以抵御十分恶劣的环境,因此,在工程界和公路建设中必将发挥更加重要的作用[1-3]。玻璃纤维格栅具有抗蠕变性、抗拉撕性、耐高温性能、防腐、抗老化性能。

玻璃纤维格栅在沥青路面中起补强的作用,其补强方式如图1所示。

从图1中的道路横断面观察,在沥青面层内部上下层之间铺设一层玻璃纤维格栅[4,5]能有效地减小剪应力,最大限度地阻止剪切流动,使网格和面层间形成较高的抗剪强度区,并在荷载作用下减小水平方向的正应力和垂直方向剪应力,玻纤格栅在沥青路面中产生的抗拉伸能力,可以抑制应力及提高弹性模量,阻止和延缓基层反射裂纹向面层发展,对路面产生显著加强作用。

1 沥青混凝土路面结构的数学模型

模型以空间直角坐标系建立,路面实体模型整体坐标示意图如图2所示(未分层显示),黑色矩形块为双轮组汽车轮载的作用位置轮廓示意。

加筋前后路面ANSYS有限元模型对比如图3所示。

图3中左边为加筋前路面实体模型,右边为加筋后路面实体模型。网格划分密度由上到下从密到疏,对于荷载作用范围附近比远离的范围划分得更密,所以划分符合实际受力情况。荷载为均布荷载,将标准圆形荷载面积[6,7]等效转化为矩形荷载,更加切合实际。荷载作用在沥青面层上表面中央,荷载方向为作用于路面且垂直于路面的均布压力[8],约束条件为在实体的前后左右四个面上只加法向约束,而在实体的底面上加X,Y,Z三向约束,保证模型既符合实际又不会产生自由度不足问题。

2 模型结果分析

对于正负向最大竖向剪应变值来讲,当加筋在5 cm深度位置时产生的数值影响最大,即减小程度最大,在5 cm面层深度处加筋是最合理、最有效的,而且对于施工也很方便,当然由于从最小施工厚度的影响以及经济性能考虑,一般在4 cm～6 cm加筋是最科学和最方便的,而且通过观察加一层筋已经满足弹性路面内抵抗竖向剪应力和横向应力的需要,对于路面荷载作用中央的竖向剪切应变也大大减小,且对于荷载周围部位也是同样具有类似的抵抗应力应变的性质。以此为基础可以推测路面加筋对长期作用重复荷载时发生的永久车辙形变的减小具有相当的作用。

3 结语

本文通过弹性体加筋前后结果对比可以得出玻璃格栅路面加筋作用效果明显,从理论上还可以适度减小面层厚度;同时由于加筋提高了路面的抗力,可以预期延迟车辙变形的发生,保证路面不被过早破坏。

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