超载作用下冷再生基层沥青路面结构力学响应分析

赵庭

【摘 要】本文借助有限元分析软件ANSYS进行了数值仿真模拟，研究分析了超载作用下冷再生基层沥青路面结构的力学响应。结果表明：从标准轴载工况下到超载100%的工况下，冷再生基层表面的最大竖向位移值增长了1.8倍，动应力增长了1.7倍左右；超载作用使路面结构产生较大的变形，使路面的损坏加快，大大缩短了路面的使用寿命，在实践中应加强运营管理。

【关键词】超载；冷再生；有限元数值模拟；力学响应

0 引言

随着国民经济的迅速发展，交通量日益增加，大型车辆轴载成倍提高，车辆超载现象十分严重，对路面结构造成极其严重的损害。早期修筑的公路有相当一部分己经进入维修期，每年有大量沥青路面需要翻修。因此，研究超载作用对再生沥青路面结构的影响、破坏程度等问题，无论是从理论上还是从实际需要上都有着十分重要的意义。

本文在借鉴已有研究成果的基础上，以现行《公路沥青路面设计规范》为依据，借助ANSYS有限元软件建立实体模型，采用层状弹性体系理论[1]对冷再生基层沥青路面在不同轴载作用下各结构层的竖向位移、动应力、动应变等方面进行了研究。

1 计算参数

1.1 重载车辆接地面积及压强计算[2]

轮胎与路面接地印迹的确定是路面结构在车轮载荷作用下力学分析的基础，我国现行的沥青路面设计规范中采用圆形均布载荷模式。实际中，重型车辆的轴载都比较大，因此将轮胎与路面接地印迹简化为矩形比圆形更符合实际。当单轮作用时，为了简化计算，将荷载有效地加到各节点上，把轮胎接地形状等效成面积为0.8712L×0.6L（L为轮胎接地长度）的矩形。

轮压或接地面积可借鉴比利时轮压比与轴载比的经验关系（如式1）确定：

pi/ps=Pi/Ps■（1）

式中：ps——标准轮压，ps=0.7MPa

Ps——标准轴载，Ps=100kN

pi——计算轮压，MPa

Pi——计算轴载，kN

本文以标准轴载单轴双轮组100kN为基础，分别分析轴载为100kN、125kN、150kN、175kN、200kN共5种工况下各结构层的竖向位移、动应力、动应变等力学响应。相关轴载计算参数如表1所示：

表1 轴载计算参数

1.2 路面结构形式的选取

沥青路面属于非线性的弹-粘-塑性体，但是汽车行驶的瞬时性作用对路面产生的粘塑性变形很小[3]。因此，本文将路面各结构层材料假定为均匀、连续、各向同性的弹性体。路面结构与材料参数如表2所示。

2 有限元模型的建立

2.1 模型的建立

采用有限元计算时，模型必须划定合适的计算范围，既不能太大导致计算量的增加，又不能太小影响计算的精度。因此，本文在计算中将路面横向（x轴）取为6m，深度方向（y轴）取为0.59m（不包括弹簧单元模拟的土基），行车方向（z轴）按照轮胎接地面积的不同取约8m左右[4]。在行车荷载作用处单元网格加密，而远离行车荷载作用处单元网格尺寸逐步加大。模型的边界条件为对底层弹簧实行全约束，对x轴、z轴方向只约束其法向位移。建立好的模型如图1所示。

表2 结构组成及计算参数

图1 实体有限元模型

2.2 用到的单元及加载条件的设置

模型用到了四种单元，分别是SOLID45单元、COMBIN14单元、SURF154单元、PLANE42单元，SOLID45、PLANE42单元可分别用于建立三维、二维实体结构模型，COMBIN14单元为弹簧单元，可用于模拟土基，SURF154单元用于面荷载的加载[5]。

模拟车辆的动载，选取瞬态动力学分析，求解时采用Full 法。定义计算运行20步，假设车速为20m/s（72km/h），根据由车辆接地面积而划分好的网格的大小，求出施加于一组单元上的轮载持续时间，然后轮载向前移动一个单元再持续一段此时间。采用不同的接地面积时，只需改变载荷的持续时间和轮压即可。

3 有限元计算结果及分析

图2 标准轴载下竖直方向位移图（最后一步）

图3 标准轴载下各结构层竖直位移时间历程曲线

3.1 竖向位移的响应分析

只考虑垂直均布荷载。选取的计算点为荷载所运行区域内各结构层的正中间的一系列特殊点，图中y的值代表从路面结构原路基层的底层（y=0）到选取的特殊点的垂直距离。

在标准轴载工况下，面层、冷再生基层和原路基层的竖向位移时程曲线变化规律基本一致，但从上到下各层到达位移峰值的时间依次滞后。从标准轴载工况到超载100%的工况下，面层表面的竖向位移是整个结构层中最大的，其值由0.107mm增长到了0.188mm，增长了1.76倍，冷再生基层表面的最大竖向位移值由0.0838mm增长到了0.151mm，增长了1.8倍；在超载车辆荷载反复作用下，过大的变形会产生过大的弯拉应力，很容易造成路面由内向外逐步发展的疲劳开裂。

3.2 垂直应力的响应分析

图4 标准轴载下各结构层动应力时间历程曲线

在标准轴载工况下，垂直荷载作用下各结构层的动应力时间历程曲线如图4所示，垂直动应力主要以压应力为主，行车荷载接近计算点时，出现了拉应力，这种先拉后压的情况与传统的静力分析有明显的区别；最大垂直压应力出现在面层，它的值为0.72MPa，随着深度的增加垂直压应力逐渐减小，并且减小的幅度很明显，接近土基时渐渐趋近于零，也证明了路面结构需要足够的承载力进行应力扩散[6]。随车辆轴载的增大，路面各结构层的动压应力逐渐增大，面层在超载100%工况下的动应力是标准轴载工况下的1.6倍左右；冷再生层（y=0.4m至y=0.5m）在超载100%工况下的动应力是标准轴载工况下的1.7倍左右。