基于ABAQUS不同荷载下多层沥青路面响应分析★

翟文卿 朱远谱 栗振锋

(1.太原科技大学交通与物流学院，山西 太原 030024； 2.中国水利水电第八工程局，湖南 长沙 410002)

基于ABAQUS不同荷载下多层沥青路面响应分析★

翟文卿1朱远谱2栗振锋1

(1.太原科技大学交通与物流学院，山西 太原 030024； 2.中国水利水电第八工程局，湖南 长沙 410002)

在进行路面力学分析时，从圆形、正方形、长方形、椭圆和两半圆形+正方形荷载方面进行论述，并进行ABAQUS下的多层沥青路面的三维有限元研究，结果显示：进行沥青路面响应分析时，不能将接地面形状假设为圆形，同荷载下，对竖向位移的响应最不敏感，相对安全；而假设为正方形，路面所受到的影响最不利，可以全面研究。

路基，接触面形状，ABAQUS有限元，力学响应

0 引言

载荷的大小、路面的平整度、轮胎胎面上的花纹、汽车的各种响应等都会影响路面结构分析。想要详细研究，就要把接地面积的形状和接地压力进行简化。胡小弟[1]、马新[2]、李雪莲等[3]认为：轮胎作用于路面的形状更接近于矩形，且随荷载的增加，矩形形状越明显，将接触面形状简化为正方形或者简化为长方形；谢水友[4]认为：轮胎接触面形状随垂直荷载变化而变化，当垂直荷载较小时，接触面呈椭圆形，当垂直荷载较大时，接触面近似矩形;彭卫兵等[5]认为，轮胎与地面的实际接触形状由一个矩形和两个半圆形组成。文章运用ABAQUS进行不同形状接触面的荷载响应分析，得出不同荷载形状对路面的破坏程度，以此研究不同荷载作用下的多层沥青路面的力学响应面临的实际情况，为选择更合理的路面设计和维护提供有力的条件。

1 有限元计算模型及工况方案

1.1 有限元计算模型

路面结构：沥青混凝土上面层，回弹模量E1=1 200 MPa,泊松比μ1=0.25，厚度h1=5 cm；沥青混凝土下面层，回弹模量E2=1 000 MPa,泊松比μ2=0.25，厚度h2=5 cm；基层为水泥稳定碎石,回弹模量E3=1 500 MPa,泊松比μ3=0.2，厚度h3=30 cm；垫层为级配碎石，回弹模量E4=400 MPa，泊松比μ4=0.3，厚度h4=25 cm；路基回弹模量E5=35 MPa,泊松比μ5=0.35，厚度h5=500 cm。取公路前进方向为X方向，长度为600 cm；垂直于公路方向为Y方向，长度为400 cm；纵向厚度为上述结构层总和，从基底往上为Z方向。计算时，底部和四周都取为固定约束，各层之间绑定约束结连接。

1.2 荷载接触面形状计算

车辆荷载采用P=100 kN[7],接触轮压p=0.7 MPa，相应的当量圆直径d=21.30 cm,轮胎与路面接触面积A=356.33 cm2。

选择圆形、正方形、长方形、椭圆和复合形为计算荷载面形状，在相同的面积情况下，通过计算可知，圆形接触面的半径为10.56 cm；正方形接触面边长为18.88 cm；假定长方形的长边为短边的2倍，可得长边长26.70 cm,短边长13.35 cm；椭圆形长半轴为短半轴的2倍，可得长边长15.06 cm，短边长7.53 cm；复合形中半圆的直径等于正方形边长为14.13 cm。由于两个当量圆中心的间距为1.5d，而内侧边缘之间间距应为0.5d，即10.65 cm，则假设其他形状荷载内侧边缘间距也为10.65 cm，如图1所示。

2 计算结果及力学响应分析

2.1 面层竖向位移数据处理

表1为上面层在不同荷载下轮隙中心竖向位移值和轮底最大竖向位移值。

表1 不同接触面荷载下上面层竖向位移 0.01 mm

输出竖向位移数据，沿垂直面层向为正，取轮隙中心为0点，左右50 cm的竖向位移值用于绘图，做出如图2所示，不同接触面荷载下沿路面横向分布的竖向位移。

从表1可以看出，在相同的接触轮压作用下，接触面形状的轮隙中心竖向位移值从小到大为：圆形、椭圆形、复合形、长方形、正方形；轮底最大竖向位移值从小到大为：圆形、复合形、椭圆形、长方形、正方形。而从竖向位移沿路面横向分布图可以看出(见图2)，在波峰处正方形的竖向位移明显大于其他接触面的竖向位移，在波谷处圆形的竖向位移是最小的，长方形、椭圆形及复合形的接触面的竖向位移则比较接近,变化幅度不是很明显。

2.2 面层剪应力响应分析

表2为不同形状荷载下面层最大剪应力。可以看出不同形状接触面荷载下，上面层最大剪应力都要大于下面层的最大剪应力，上面层最大剪应力从大到小依次是：正方形、长方形、复合形、椭圆形、圆形；下面层最大剪应力从大到小依次是：正方形、复合形、长方形、椭圆形、圆形。通过比较，对剪应力响应最为敏感的是正方形，其次是长方形和复合形，最不敏感的是圆形。

表2 不同形状接触面下面层剪应力

2.3 路面各结构层层底拉应力响应分析

表3列出了不同接触面下各结构层层底最大拉应力，可以看出正方形上、下面层和底基层层底的拉应力绝对值最大，圆形上、下面层和基层层底的拉应力绝对值最小。经计算，X向拉应力上面层到底基层拉应力绝对值由大到小的接触面形状依次是：正方形、复合形、长方形、椭圆、圆形；Y向拉应力与X向一致。将各层层底X方向和Y方向拉应力的最大值除以最小值可知，不同接触面对上面层层底响应程度最大，对底基层层底响应程度最小，对下面层以及基层层底响应程度相当。

表3 各结构层层底最大拉应力

3 结语

通过对5种不同的轮胎荷载进行ABAQUS计算，对结果进行分析可以看出：

1)对面层剪应力响应最为敏感的接触面形状是正方形，最不敏感的是圆形。

2)接触面的上面层层底拉应力和下面层层底拉应力以及底基层层底拉应力响应比其他接触面的响应要敏感一些，圆形最不敏感。

3)进行荷载应力分析时，不能将接地面形状假设为圆形，同荷载下，对竖向位移响应最不敏感，相对安全；而假设为正方形，路面所受到的影响是最不利的。

[1] 胡小弟，孙立军，刘兆金.沥青路面非均布荷载下层间接触条件不同时力学响应的三维有限元分析[J].公路交通科技，2003，20(3)：1-4.

[2] 马 新，郭忠印，李志强，等.动载作用下沥青路面的剪切破坏机理[J].中国公路学报，2009，22(6)：34-39.

[3] 李雪莲，陈字亮，张起森，等.高速公路上坡路段半刚性沥青路面的三维有限元分析[J].公路交通科技，2007，24(8)：23-26.

[4] 谢水友.轮胎—路面接触压力问题研究[J].华东公路，2009(3)：94-96.

[5] 彭卫兵，刘萌成，刘书镐.刹车荷载反复作用下沥青路面剪切动响应三维有限元分析[J].公路交通科技，2009，26(9)：46-52.

[6] 殷立文，丁静声.荷载接触面形状对沥青路面力学响应的影响[J].重庆交通大学学报，2010，29(4):1-3.

[7] JTG D50—2006，公路沥青路面设计规范[S].

The roadbed response under different load shape of ABAQUS★

Zhai Wenqing1Zhu Yuanpu2Li Zhenfeng1

(1.SchoolofTransportationandLogistics,TaiyuanUniversityofScienceandTechnology,Taiyuan030024,China;2.SinohydroBureau8Co.,Ltd,Changsha410002,China)

In road surface mechanics analysis, through to the round, square, rectangular， elliptical and two semi-rounds plus square load discussing under ABAQUS of three-dimensional finite element study. Results showed that: when analyzing asphalt pavement response, it should not be assumed the shape of round, under load the same size, the least sensitive response to vertical displacement, the result will be relatively safe， but suppose for a square, the road will be affected the most disadvantaged, it can be a comprehensive study.

subgrade, ground shape of contact, finite element of ABAQUS, mechanical response

2015-01-06

★：山西省科技攻关资助项目(项目编号：20120321023-05);山西省回国留学人员科研资助项目(项目编号：2013-096)

翟文卿(1992- )，女，在读硕士； 朱远谱(1991- )，男； 栗振锋(1968- )，男，教授

1009-6825(2015)08-0156-02

U416.217

A