车轮荷载作用下的沥青路面结构受力特征

蓝明祥

(新疆兴亚工程建设有限公司，新疆　乌鲁木齐　831100)



车轮荷载作用下的沥青路面结构受力特征

蓝明祥

(新疆兴亚工程建设有限公司，新疆乌鲁木齐831100)

为研究沥青路面在车轮荷载作用下的结构受力特征规律，文章采用ANSYS有限元软件，对典型沥青路面结构在车轮荷载作用下的的受力情况进行数值模拟分析。研究结果表明：在车轮荷载作用下，车轮作用处发生凹陷变形，车轮周边发生凸起变形，且中面层和下面层的竖向变形最大；路面各节点产生的位移随着路面深度的增大而增大；在车轮荷载作用范围内，剪应力呈现不均匀分布；车轮中心位置点处，合应力在车轮荷载的作用时间初期，产生突变增大，但随后应力大小基本保持不变；特征点的竖向位移和蠕变变形均随荷载作用时间逐渐增大，曲线均表现为两阶段变化特征。

沥青路面；车轮荷载；车辙；结构受力；力学特征；数值分析

0　引言

沥青路面的性能与温度、时间、应力之间的关系明显。由于沥青混合料的性能优劣差异，在高温及重、超载车辆的作用下沥青路面产生不同程度的永久变形，

从而出现车辙痕迹，给路面行驶舒适性和安全性带来不利[1-2]。因此，进行沥青混合料永久变形的研究对路面结构设计及车辙病害防治的意义非凡。目前在数值分析方面，路面车辙的相关研究成果较为丰富，例如Wu[3]利用ANSYS有限元软件，结合蠕变模型和(D-P)塑性模型预测沥青混合料路面结构的永久变形；Hua[4]利用ABAQUS有限元，将路面假设未平面应变问题，计算了沥青路面永久变形值；Erkens和Blab等[5-6]人则采用有限元三维方法分析路面力学性能；张久鹏[7]运用有限元建立了路面结构二维模型，分析了沥青路面柔性基层的车辙变化；张丽娟[8]结合D-P蠕变模型，利用粘弹性有限元对沥青混合料的静载情况下的蠕变进行了分析；汪凡[9]采用Johnson-Cook粘塑性模型分析了沥青混合料的温度效应、应变硬化等力学特征。

本文结合我国国内主要的沥青路面结构形式，运用ANSYS有限元中的蠕变模对沥青路面在车轮荷载作用下的力学特性进性模拟分析。研究成果能够为沥青路面结构设计及路面车辙病害防治提供理论支持。

1　模型建立

1.1选取模型参数

本文以典型路面结构结构文研究对象，路面结构由上至下依次为SMA-13、AC-20、AC-25，水泥稳定碎石基层，水泥粒料底基层。据文献[10]中描述的路面各结构层材料相关参数及弹性模量E和泊松波v的参考值，得到各结构层力学参数如表1所示。

表1　路面各结构层模拟参数表

注：表1中，A、n、m为蠕变方程中的回归参数

1.2边界条件及建立模型

车辙试验样板是一层面板模型，采用ANSYS有限元中solid45单元对单层板和全厚路面层包含上面层、中面层、下面层、基层、底基层进行三维构造，该单元由多个节点定义，每个节点有X、Y、Z三个方向的自由度。solid45单元的属性能够定义蠕变模型中的材料性能。

构造三维实体模型，定义模型参数，对模型进行网格划分，路面结构模型大小为2.5 m×2.5 m×5 m，网格划分采用自由化网格，每个单元的X、Y、Z尺寸大小为5 cm，上面层，中面层，下面层的单元格厚度依次设定为4 cm、5 cm、6 cm，基层和底基层的单元格厚度均设定为15 cm。蠕变模型中的数值模拟的加载方式采用分级加载形式，分为两次加载，第一次加载时间较短，不打开蠕变设置，第二次加载需要考虑加载的时间，即打开蠕变设置。依据上述步骤，通过有限元软件得到路面结构模型如图1所示。

图1　路面结构模型图

2　车轮荷载作用下沥青路面结构受力特征

2.1应变特征分析

数值模拟中，将车辆的单轴双轮荷载作用于路面顶部，规定车轮荷载作用大小为0.7 MPa，车轮荷载作用时间为5 000 s。在该条件下模拟车辆荷载反复作用于沥青路面结构模型，得到路面结构层的竖向变形二维图，如图2所示。

图2　反复荷载作用下沥青路面结构层的竖向变形图

从图2中可明显看出，在车轮荷载的反复作用下，沥青路面结构层产生明显的波浪形变，车轮作用处，路面结构竖向挤密压实，侧向流动变形，车轮作用处产生凹陷，车轮周边发生凸起。此外，从图中还可以看出，车辆荷载对路面结构产生车辙主要对面层的影响较大，尤其是中面层和下面层产生的竖向变形较大，这表明中面层和下面层对车辙变形承担主要作用。

图3为路面蠕变变形图，从图中可以看出，轮轴中心位置产生的蠕变变形最大，轮胎外侧产生的蠕变变形次之，越远离车轮作用位置，蠕变变形的影响越小。

图3　路面蠕变变形图

图4为车轮荷载作用下，路面产生的位移等值线变化图，从该图中可了解到路面结构内部发生的位移变化情况，即车轮作用处，路面各节点产生的位移随着路面深度的增大而增大。

图4　路面位移等值线图

2.2应力特征分析

图5和图6分别为路面结构层内部剪切应力图和剪切应力等值线图。从图5～6中可以看出，车轮荷载作用影响的范围外，路面所受的剪切应变大小一致；在车轮荷载作用范围内，剪应力呈现不均匀分布，其中车轮作用两侧位置的剪应力要高于轮轴中心处的剪应力。此外，Y方向两侧剪应力明显高于其他。

图5　路面剪切应力图

图6　路面剪切应力等值线图

2.3特征点力学特征分析

本文着重探讨车轮中心位置点的力学特征，并对其合应力、竖向位移、蠕变变形等方面进行详细分析。图7为特征点的合应力曲线图，从图中可以看出，随着车轮荷载的作用时间初期，合应力产生突变增大，但随着荷载作用时间的增加，基本保持不变状态。

图8和图9分别为特征点的竖向位移曲线图和蠕变变形曲线图，从这两个图中可看出，随着车轮荷载作用的时间增加，特征点的竖向位移和蠕变变形都逐渐增大，两者曲线均表现为两阶段变化特征，荷载作用时间初期，增加的幅度最大，随后幅度逐步减小，并且初期变形程度最大。

图7　特征点合应力变化曲线图

图8　特征点竖向位移曲线图

图9　特征点蠕变曲线图

3　结语

本文利用ANSYS有限元软件，在车轮荷载作用下对典型沥青路面结构力学特征进行了数值模拟计算。研究得到了以下主要结论：

(1)应变方面，在车轮荷载的反复作用下，沥青路面结构层产生明显的波浪形变，车轮作用处产生凹陷，车轮周边产生凸起，并且中面层和下面层对车辙变形承担主要作用；轮轴中心位置产生的蠕变变形最大，轮胎外侧产生的蠕变变形次之；路面各节点产生的位移随着路面深度的增大而增大。

(2)应力方面，在车轮荷载作用范围内，剪应力呈现不均匀分布，其中车轮作用两侧位置的剪应力要高于轮轴中心处的剪应力。

(3)特征点方面，车轮中心位置点处，合应力在车轮荷载的作用时间初期，产生突变增大，但随着荷载作用时间的增加，基本保持不变状态；特征点的竖向位移和蠕变变形均随荷载作用时间逐渐增大，两者曲线均表现为两阶段变化特征。

(4)研究表明中面层和下面层对车辙变形承担主要作用，因此需要对沥青路面结构变形设计提出更高的要求，同时也表明ANSYS有限元软件能够有效地模拟沥青路面车辙力学变化规律，可为车辙变形研究提供较好的技术手段。

[1]王陆平，闫翠香.济青高速公路沥青路面维修后车辙深度数值模拟[J].山西交通科技，2011(4)：10-12.

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[3]WuZhong.Finite element simulation of rutting on superpave pavements[D].Manhattan：Kansas State University，2001.

[4]HuaJian-feng，White T.A.study of nonlinear tire contact pressure effects on HMA rutting[J].The International Journal of Geomechanics，2002，2(3)：353-376.

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[6]BlabR，Harvey J T.Modeling measured 3D tire contacts tress in a viscoelastic FE pavement model[J].The International Journal of Geomechanics，2002，2(3)：271-290.

[7]张久鹏，黄晓明，王晓磊.基于粘弹塑性理论的沥青路面车辙分析[J].公路交通科技，2007(10)：20-24.

[8]张丽娟，张肖宁，陈页开.沥青混合料变形的粘弹塑性本构模型研究[J].武汉理工大学(科学与工程版)，2011(4)：289-292.

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[10]蔡红兵，曾志远，王福建.循环荷载作用下沥青路面变形的粘弹塑性分析[J].公路交通科技(应用技术版)，2012(10)：50-52，55.

Asphalt Pavement Structure Force Characteristics under Wheel Loads

LAN Ming-xiang

(Xinjiang Xingya Construction Engineering Co.，Ltd.，Urumqi，Xinjiang，831100)

In order to study the structure stress characteristic rules of asphalt pavement under the wheel loads，this article conducted the numerical simulation analysis on the force situation of typical asphalt pavement structure under wheel loads by using ANSYS finite element software.The results showed that：under the wheel loads，the recess deformation occurs at the place with wheel action，with peripheral convex deformation around the wheel，and the middle surface layer and low surface layer have the maximum vertical deformation；the displacement at each pavement node increases with the increase of pavement depth；within the action range of wheel loads，the shear stress shows the non-uniform distribution；at the wheel center point，the combined stress has the mutation increases at early stage of wheel load action time，but then the stress magnitudes keep essentially unchanged；the vertical displacement and creep deformation at characteristic points both gradually increase with the loading action time，and the curve shows the two-stage changing characteristics.

Asphalt pavement；Wheel loads；Rut；Structure force；Mechanical characteristics；Numerical analysis

U416.217

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.08.005

1673-4874(2016)08-0017-05

2016-06-04

蓝明祥(1976—)，工程师，主要从事土木工程(路桥)技术研究工作。