基于不同格栅加筋层位的沥青路面加铺层结构应力分析

2013-06-11杨维国

交通运输研究 2013年11期

杨维国

（深圳高速工程顾问有限公司，广东深圳 518034）

0 引言

随着我国高等级公路建设的飞速发展，公路网骨架基本完成，公路事业的重点将转移到旧路养护、改扩建工程上来。在我国，旧沥青路面上加铺沥青混凝土层已成为一种切实可行、简单有效的修复措施。采用格栅加筋沥青加铺层已经被证明能够有效地提高路面结构强度和改善路面使用性能。

目前，国内研究主要集中在格栅在旧水泥混凝土路面加铺中的应用，而对于格栅在旧沥青路面加铺中的应用研究甚少。关于格栅在加铺层中的位置，现有的研究主要是将其设在加铺层的底部，对其他位置研究很少。但现实工程中却有许多将格栅放在其他位置并取得较好的效果的实例。所以，对于整个格栅加筋的层位，目前尚缺乏系统的理论分析。本文拟通过对旧沥青路面不同格栅加筋加铺层层位进行力学分析，提出沥青加铺层中格栅加筋的最优层位。

1 不同格栅层位的沥青加铺层力学模型建立

视路面结构为弹性层状体系，从上至下由沥青加铺层、格栅、旧沥青路面和基础组成，建立空间三维模型。对沥青加铺层、旧沥青路面和基础采用8节点实体单元，格栅采用三维薄膜单元进行分析。采用大型有限元软件ANSYS进行计算。模型及坐标系如图1所示。

图1 结构计算模型

在计算温度应力时，采用三维模型solid70单元，不仅理论上符合实际情况，而且可与荷载应力进行耦合分析。因此，温度应力计算模型与荷载应力计算模型相同。经过计算得出无格栅时最不利温度应力点为接缝处加铺层底部的A点（如图2a）所示），有格栅时采用应力格栅底部A1点及沥青加铺层底部B点来计算（如图2b）所示）。

图2 温度应力计算点位

2 不同格栅位置的加铺层结构荷载应力分析

假设层间状态为连续，沥青加铺层厚度h＝12cm，固定沥青加铺层模量EAC＝1200MPa，旧路当量回弹模量Et＝400MPa，格栅模量Eg＝3000MPa。当旧路有裂缝时，假设旧路裂缝深10cm、宽5mm。格栅从加铺层层底逐渐上移h／6、h／3、h／2、2h／3，采用有限元计算模型，根据开裂机理，分析格栅之下沥青层层底及格栅之上沥青层表面的受力状况，结果见表1。

表1 格栅位置对加铺层结构荷载内力的影响分析

由表1可以看出以下几点。

第一，无论旧路有无裂缝，格栅的层位对加铺层表面的弯沉影响都比较小，但依然随着格栅层位的上升先增大后减小，在h／3～h／2处出现最大值。

第二，无论旧路是否有缝，格栅本身的最大应力σm随着格栅层位的上升而减小，也就是说随着格栅的上移，格栅抵抗拉力的价值逐渐得不到体现。当格栅置于沥青混凝土加铺层最底部时，格栅上方沥青加铺层最厚，相对而言格栅承受较大拉应力，但根据格栅的抗拉强度，不同格栅铺设位置均不致明显影响格栅本身的寿命。

第三，随着格栅位置的上移，加铺层层底的最大拉应力、拉应变随之增大。当格栅从加铺层层底移至中间，旧路无缝时的加铺层层底的最大拉应力、拉应变分别增大27.3%、16.7%，旧路有缝时加铺层层底的最大拉应力、拉应变分别增大26.8%、17.2%。而加铺层层底剪切应力τyz则先减小后增大，在h／6处出现最小值，旧路无裂缝时为0.098MPa，比格栅位于加铺层底部减少19.39%，旧路有裂缝时为0.183MPa，比格栅位于加铺层底部减少8.7%。

所以，在只考虑整个加铺层底部的最大拉应力、拉应变的情况下，格栅设置在加铺层底部的抗拉效果比其他层位要好。

根据以上的分析，格栅的上移使格栅之下加铺层的受力不利，却换取格栅之上加铺层优越的受力环境。由于格栅拥有优异的抗拉、抗裂性能，在格栅上、下加铺层之间起到一个隔离层的作用，所以，即使格栅之下的加铺层有一些性能损失，仍能确保格栅之上加铺层处于一个良好的状态。可以说格栅之下的加铺层是格栅之上加铺层的保护层，但同时考虑其他的因素，该保护层不能太厚。而这个保护层与工程实际中的应力吸收层功能相似，即格栅与应力吸收层联合使用，能取得更好的效果。

图3 格栅置于底部与h/6处时格栅之上加铺层的应力应变比较

3 不同格栅位置的加铺层结构温度应力分析

假设层间状态为连续，沥青加铺层厚度h＝12cm，固定沥青加铺层模量EAC＝1200MPa，旧路当量回弹模量Et＝400MPa，格栅模量Eg＝3000MPa。当旧路有裂缝时，假设旧路裂缝深10cm、宽5mm。格栅从加铺层层底逐渐上移h／6、h／3、h／2、2h／3，取ΔT＝－10℃。计算结果见表2。

表2 格栅位置对加铺层层底及加铺层表面的结构温度内力影响分析

从表2中可以得出，格栅之上的加铺层的温度应力不受有、无格栅和格栅层位的影响。加铺层层底的最大温度应力和最大应变只有在格栅位于层底和h／6处才有所变动，其他情况下与无格栅时一样。格栅本身的拉应力在h／6处最大，为0.275MPa，当格栅层位大于h／2时，与无格栅的情况一样。即可得出只有将格栅置于加铺层层底与h／2之间时，才会影响加铺层层底的温度应力、应变，而且影响不明显。