车辆-温度荷载耦合作用下的农村公路路面结构受力分析

李宏伟，胡安宇，张永平，张洪亮

(1.杭州市公路管理局，杭州 310030；2.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，西安 710064)

车辆-温度荷载耦合作用下的农村公路路面结构受力分析

李宏伟1，胡安宇1，张永平1，张洪亮2

(1.杭州市公路管理局，杭州 310030；2.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，西安 710064)

为研究农村公路在车辆、温度荷载作用下的受力情况，本文选择四种农村公路典型结构，运用Abaqus有限元软件分析不同车辆荷载对道路内部结构的影响；采用解析法分析温度荷载下路面受力情况；进行车辆-温度荷载耦合作用下的农村公路受力分析，分析农村公路典型结构在车辆荷载和温度作用下的应力和应变特性。结果表明：车辆荷载与温度荷载对路面受力均有贡献，且温度荷载对道路基层影响更为突出。

农村公路；沥青路面；车辆荷载；温度荷载

0 引 言

截止2015年底，我国农村公路通车里程达到395万公里，占全国公路网的86.4%，但目前农村公路均体现出公路技术等级低、路况差、交通量低等特点。王剑[1]针对山区农村公路的应用特点和优化措施进行了分析、探讨。刘寿永[2]根据农村公路特点认为强基薄的设计理念更为合理。美国认为在农村公路设计时其现行的干线公路设计标准不适用于低交通量的农村公路，故在AASHTO中提出针对农村公路的低交通量设计方法。南非[3-4]采用双圆垂直均布荷载(80kN)作用下的弹塑性理论进行低交通量道路设计。印度[5]通过假设面层不承受荷载作用，并将薄沥青层作为基层进行路面设计。袁承栋等[6-7]针对江苏省、湖北省、辽宁省等地建立了农村公路典型结构。

虽然学者对农村公路进行了相关研究，但仍有以下不足：首先，农村分布在全国各地，幅员辽阔，需针对某一地方进行特定的研究；其次，我国现行的设计标准轴载为100kN，但农村中用于生产用的车辆超重严重，严重超出了标准轴载的范畴；再次，农村公路路面结构相对于高等级公路较薄，在车辆荷载与温度荷载耦合作用下的研究较少。因此，本文选择四种典型的农村公路结构，采用有限元软件分析标准轴载为100kN、150kN、200kN时路面受力的影响；运用解析法计算温度荷载下路面受力的影响；进而进行车辆-温度荷载耦合作用下的路面受力情况分析。

1 广义荷载分析

1.1 车辆荷载及作用形式

本文对农村公路进行受力分析时选取100kN、150kN和200 kN三个轴载级。借鉴低交通量道路对轮胎接地面积(cm2)与单个轮胎荷载(N)的调查结论，如式(1)所示。计算各级轴载下轮胎的接地面积、接地半径、接地压强如表1所示。荷载作用形式如图1所示。

A=0.0091P+130(R=0.87)

(1)

表1 不同轴载作用下轮胎的接地面积及接地压强

图1 荷载作用形式

1.2 温度荷载

计算温度荷载之前首先要确定路表的温度，进而确定各层的年温差。本文通过地表温度与气温的经验公式(2)可计算路表最高与最低温度的气温(如表2所示)。

(2)

表2 气温资料

2 有限元建模

2.1 典型路面结构

通过对大量文献的查阅，得出4种农村公路典型路面结构，分别为：1#沥青混凝土(6cm)+水泥稳定碎石(20cm)+石灰土(20cm)+土基；2#沥青混凝土(6cm)+冷再生水稳碎石(18cm)+水泥稳定碎石(16cm)+土基；3#沥青混凝土(4cm)+水泥稳定碎石(18cm)+二灰稳定碎石(25cm)+土基；沥青混凝土(6cm)+二灰稳定砂砾(25cm)+天然砂砾(20cm)+土基。各结构层材料参数如表3所示。

表3 路面结构层材料参数表

2.2 模型尺寸

综合考虑对计算时间和结果精度的要求，采用6m×6m×3m的道路结构模型，并对道路模型进行网格划分。

3 受力分析

3.1 车辆荷载作用下的应力分析

对4种路面典型结构的面层层底拉应变、路基顶面竖向压应变、基层底部拉应力和沥青层顶面竖向压应力进行计算，结果如表4所示。

表4 车辆荷载作用下受力计算

3.2 温度荷载作用下的受力分析

(1)温差分析

根据温差模拟函数(见式(3))计算道路各结构层的温差。

(3)

式中：P1为路表面的年温差值，℃；P2为面层底部的年温差值，℃；P3为基层底部的年温差值，℃；h为面层厚度，m；g为基层厚度，m；bi为控制温差随深度变化速度的因子。

4种典型路面结构路表、基层表面和底基层表面的年温差如图2所示，可见不同路面结构基层表面和底基层表面年温差有一定差别，面层年温差在60℃左右，基层表面年温差在42℃左右，底基层表面年温差在20℃左右。

(2)材料热特性参数

道路材料的热特性参数如表5所示。

表5 道路材料的热特性参数

(3)计算公式

二维弹性层状体系下温度应力的计算公式如式(4)所示，根据它对道路进行温度应力分析。

(4)

式中：σxi、σyi、τxyi、σzi为第i层沿各个方向的温度应力分量，MPa；αi为第i层的温缩系数；Ei为各层的弹性模量，MPa；μ为泊松系数；Ti为温差函数；υx为x、y方向的位移。

(3)计算结果

根据以上温度荷载作用下路面受力计算公式，得到农村公路由温度荷载引起的基层顶部、基层底部拉应力和面层顶部、面层底拉应力，如图3所示。由图3可知，面层顶面产生的温度应力大于面层底面产生的温度应力，基层顶面产生的温度应力大于基层底面产生的温度应力。

图2 不同路面结构的年温差变化 图3 温度荷载引起的道路结构层内部应力

3.3 车辆-温度耦合作用下的受力分析

(1)面层应力分析

由有限元模拟车辆荷载对路面结构的影响和理论法解析温度荷载对路面结构的影响面层，可得到在车辆-温度荷载耦合作用下4种农村公路典型结构面层的受力特点。面层底部最大拉应力分别如图4所示。在相同车辆荷载作用下年温差越大，面层的拉应力越大。而在相同温度荷载作用下，车辆荷载越大，其面层拉应力越小，这是因为车辆荷载对面层产生压应力，车辆荷载越大，产生的压应力越大，从而抵消更多的拉应力。因此在车辆荷载和温度综合作用下的面层拉应力变小。

图4 车辆-温度荷载引起面层底部最大拉应力

(2)基层应力分析

在车辆-温度荷载耦合作用下4种农村公路典型结构基层底部最大综合拉应力如图5所示，由图5可知基层底部受力规律与面层类似。

为确认车辆荷载与温度荷载对道路基层受力的贡献，不同荷载下温度应力与基层总应力比值如图6所示。从图6中可以看出：当车辆荷载不同时，温度荷载所贡献的基层层底拉应力比例不同，但是均非常大，因此在路面基层结构设计时需考虑温度荷载的影响。

图5 基层底部最大拉应力 图6 温度应力在基层层底拉应力中所占的比例

4 结 语

针对4种典型农村公路结构，本文采用Abaqus有限元软件分析了车辆荷载下路面结构受力情况，采用解析法计算了温度荷载下路面结构内部受力情况。最后，对车辆-温度荷载耦合作用下的路面受力情况进行了分析，并得到以下结论：

(1)在车辆荷载作用下，农村公路面层拉应力均表现出随荷载增大而变小，但基础底部拉应力恰好相反。

(2)年温差对道路内部结构作用较大，尤其是对基层层底拉应力影响很大，在进行道路基层结构层设计时需要考虑温度的影响。

(3)温度荷载对道路基层影响比车辆荷载更为突出，在道路结构设计时应增加基层底部拉应力这一指标。

[1]肖达勇,郑兴水,李卓伦，等.浅谈农村公路路面类型比较及选择[J].公路交通科技：应用技术版,2015,(4): 55-57.

[2]刘寿永.浅谈农村公路设计与施工技术的应用[J].黑龙江交通科技, 2013,(8): 62-63.

[3]Kelly K, Juma S. Environmentally Optimized Design for Low-Volume District Roads in Tanzania[J].Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board,2015,(2472): 40-48.

[4]Li Q, Xiao D X, Hall K D. Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide -Based Pavement Design Catalog for Low-Volume Roads in Arkansas[J].Transportation Research Record Journal of the Transportation Research Board,2011, (2203):169-177.

[5]Das A, Mohanty S, Reddy K, et al. Analytical Design Criteria for Village Roads in India[J].Transportation Research Record,1999,(1652):76-81.

[6]袁承栋.低交通量道路典型路面结构的研究[D].南京：东南大学，2005.

[7]陈爱军,孟亚军.低交通量农村公路水泥混凝土路面典型结构的研究[J].湖南工程学院学报: 自然科学版,2013,23(1): 82-86.

[8]王孙富.沥青路面结构温度场与温度应力的数值模拟分析[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.

Mechanical Analysis of Rural Roads Based on Vehicle-temperature Coupling Interaction

LI Hong-wei1,HU An-yu1,ZHANG Yong-ping1, ZHANG Hong-liang2

(1. Hangzhou Highway Administration Bureau，Hangzhou 310030，China;2.Key Laboratory for Special Area Highway Engineering of Ministry of Education, Chang’an University, Xi’an 710064,China)

In order to study the influence on rural roads of vehicle and temperature load, in this paper, four kinds of typical structures of rural roads have been selected. Then the influence of different vehicle loads on typical rural road structure was analyzed using finite element software Abaqus. And the response under different temperature loads was studied through analytical method. At last, the stress and strain of typical rural road structure under vehicle and temperature loads coupling effect was studied. The result indicates that both of vehicle and temperature load have an important effect on the pavement, and can generate stress in the internal of pavement. But the temperature load has a more prominent influence on tensile stress at bottom base layer. Therefore, the index of tensile stress of bottom base layer should be added during the design of rural pavement structure.

rural roads; asphalt pavement; vehicle load; temperature load; stress analysis

2016-10-26

李宏伟(1960-)，男，河南驻马店人，工程师，E-mail：8736958@qq.com。

U416.01

A

10.3969/j.issn.1671-234X.2016.04.005

1671-234X(2016)04-0025-05