基于ANSYS的柔性基层沥青路面结构力学特性分析

梁 颖 慧

(上海城建职业学院，上海 200438)

基于ANSYS的柔性基层沥青路面结构力学特性分析

梁 颖 慧

(上海城建职业学院，上海 200438)

运用有限元软件ANSYS，对柔性基层路面结构进行标准轴载作用下的数值模拟，分析柔性基层路面结构各层弯沉w和应力σ等的力学特性。通过分析得出标准轴载作用下路面弯沉w和应力σ的大小分布情况，可为充分理解柔性基层路面结构力学特性并进一步进行道路的设计提供一定的参考和依据。

ANSYS，柔性基层，力学特性

0 引言

我国幅员辽阔，不同的地区气候和地质条件可能差别较大，原则上各地区需采用与环境条件相适应的不同的路面结构形式，但现有的路面结构形式(含面层、基层等)比较单一。已建成的高等级沥青路面中，大多以半刚性材料作为基层[1]。随着道路使用年限的增长，半刚性基层沥青路面的缺点也逐渐显现出来：材料的收缩性较大，容易引起路面的反射裂缝；材料致密，渗水和排水性能较差；对超载车的轴载敏感性较强，且愈合能力较差，损坏后无法进行修补，只能重建，故道路养护较困难，损坏后极易影响道路的服务水平和使用性能。20世纪70年代后，柔性基层沥青路面逐渐成为国际上高等级沥青路面主流结构型式[1]。根据国外大量应用及研究经验，柔性基层具有较高的抗剪强度、抗弯拉强度和耐疲劳性能，不易产生收缩以及引起路面开裂，受水的影响较小，平整度较好故路面结构受力均匀，维修较方便且费用较低，从而沥青路面的使用寿命较长，使用性能较高。国内对于柔性基层的研究相对较晚，参考统计数据，柔性基层的沥青路面结构在我国高等级公路建设中正逐渐被接受和使用，因此，更加深入系统地研究柔性基层，对优化我国路面结构设计进而推动路面结构的多样性发展意义深远。

1 路面结构假设及参数设置

1.1 基本假设

1)模型尺寸确定。模型的尺寸过大容易造成工作量的增加并影响分析速度，尺寸过小致使结果真实性较差，故模型尺寸的确定尤为重要。根据文献参考及多次计算经验，为了弱化边界效应，确定模型沿道路中心线的纵向及土基深度方向、路堤左右边坡坡脚处横向向外延伸范围均为5 m，路面结构厚度依据公路路面结构选取。

2)道路材料模型。当应力等级较低时，路基路面材料均显现为线弹性特性，结合实际车载情况，对路基路面各层材料均采用线弹性模型来模拟，对应的表征参数为回弹模量和泊松比[2]。

3)模型层间接触条件。根据现有的沥青路面设计理论，数值模拟采用弹性层状体系的基本假定，层间接触或位移完全连续。

4)模型边界条件。在路基中采用底面与侧面全部固定的方式，顶面自由无约束。底面与侧面限制X,Y,Z方向的位移，即Ux=Uy=Uz=0。

5)模型网格划分与单元型式。网格划分时规则部分采用尺寸15 cm，路堤边坡截面网格采用梯形。分析模型采用构造三维固体结构的Solid45单元，通过8个节点来定义，每个节点沿着X,Y,Z方向平移有3个自由度。

1.2 结构参数设定

本文选用某典型分离式路基公路为研究实体，单向路面宽度12 m，两车行道，土基深度方向取5 m，路堤高度约2.5 m，填方边坡坡度1∶1.5，横向研究范围延伸至土基外5 m。路面结构参数参考规范，如表1所示[3]，结构整体几何横断面如图1所示。

表1 路面结构参数

2 路面结构有限元模型

2.1 轮载作用范围

综合国内外以往的研究资料及具体实验数据分析，轮胎的接地面更接近于长椭圆形或者矩形等形状，尤其当荷载较大时，如载重车的轮胎接地面更接近于矩形。

黄仰贤的研究认为轮胎与路面的实际接触面应由一个矩形和两侧的半圆形组成，同时接触面可以等效为一个矩形(见图2)，其长度L′=0.871 2L，宽度B′=0.6L，则等效的矩形面积为0.522 7L2。参考我国现行设计规范，以标准单轴双轮组BZZ-100作为计算轴载作用于4个轮胎上，故单轮轴载F=25 kN，轮胎接地压强为P=0.7 MPa。假定接触压力等于胎压，则L,L′,B′的计算公式分别如下所示[4]。且根据上述分析，本次数值模拟时采用双矩形截面形式(见图3)，并假定应力在作用面内均匀分布。通过计算，轮胎受力面积为70 668 mm2。

L′=0.871 2L=228 mm。

B′=0.6L=157 mm。

根据轮胎作用在路面上的范围及位置荷载的分布，如图4所示。ANSYS计算时，模型的加载形式采用垂直均匀标准轴载，压力为0.7 MPa。

2.2 模型建立

依据上述路面结构参数的设定情况，建立公路整体三维模型如图5所示，行车道宽度为3.75 m，汽车荷载按照车辆行驶在车道中央进行设置。

3 数值模拟分析

本文主要分析路面在标准轴载作用下各结构层的弯沉w和应力σ的力学特性，并了解这两种指标在路面结构中分布情况，从而更加深入的理解柔性基层路面结构特性。分析时主要针对标准轴载作用下道路横向断面和道路纵向断面进行。

3.1 路面结构弯沉值分析

经过有限元分析计算，各结构层纵、横向断面弯沉值w分布情况如图6所示。

通过数据与图形可以看出，在标准轴载作用范围内，路面结构弯沉值w沿道路纵向成倒三角锥形式，在作用点处各层位移最大，随着距离增加各层位移逐渐减小；沿道路横向断面在轴载作用范围的中间位置影响相互叠加，成倒马鞍形，在两车轮下位移最大，轮距中间位置弯沉值较小，这也与实际道路使用情况及损坏情况相符。且分析可见，荷载作用对面层的弯沉值影响较为显著，随着道路深度的增加影响效应逐渐减小。

3.2 路面结构竖向应力分析

经过有限元分析计算，各结构层纵、横向断面竖向应力σy分布情况如图7所示。

通过数值模拟得出，竖向应力最大值出现在面层，约为基层竖向应力大小的3倍。竖向应力效应范围主要集中在标准轴载的作用区域，两轮距中间位置竖向应力较小，车轮作用范围之外影响同样相对较小，荷载对路面结构面层和基层影响较为显著，应力值沿竖向加速递减，这表明在道路设计时应对面层和基层材料有较高要求。

3.3 路面结构剪应力分析

经过有限元分析计算，各结构层纵、横向断面剪应力分布情况如图8所示。

通过竖向剪切应力数据与图形可以看出，荷载对剪应力的影响范围主要集中在作用区域，对周围区域影响相对较小，路面面层中剪应力最大，随着距车轮作用点距离的增加剪应力衰减较快。

4 结语

本文依据某一柔性基层结构的道路建立ANSYS有限元模型并进行柔性基层路面结构各层的弯沉值w、竖向应力σy以及剪应力σxz的数值分析，得出标准轴载对柔性基层路面结构的影响范围和程度，并反映出道路易损毁的部位，可为柔性基层道路设计与建设时的路面结构厚度、材料等的选取提供一定的参考。

[1] 王 璜.柔性基层沥青路面弯沉设计指标体系研究[D].西安：长安大学硕士论文，2011.

[2] 赵鸿铎，梁颖慧.基于有限元分析的沥青路面自振频率研究[J].交通信息与安全，2012，2(30):10-15.

[3] JTG D50—2006,公路沥青路面设计规范[S].

[4] 赵 磊.半刚性基层沥青路面结构疲劳寿命研究[D].西安：长安大学硕士论文，2009.

ThemechanicalpropertyanalysisofasphaltpavementstructurewithflexiblebasebasedonANSYS

LiangYinghui

(ShanghaiUrbanConstructionVocationalCollege,Shanghai200438,China)

Using the finite element software ANSYS, the numerical simulation of the flexible base pavement structure under the standard axle load is carried out to analyze the mechanical properties of the flexuralwand the stressσ. Through the analysis of the standard axle load heavy pavement flexuralwand the stressσ, it is possible to provide some reference and basis for fully understanding the mechanical properties of the pavement structure, and further selecting the parameters of the road design.

ANSYS, flexible base, mechanical properties

U416.217

：A

1009-6825(2017)24-0141-03

2017-06-13

梁颖慧(1986- )，女，工程师