基于ABAQUS软件分析沥青路面结构力学响应

曾 涓

(重庆交通大学 土木工程学院， 重庆 400074)

0 引言

沥青路面除了承受车轮的荷载作用，还会因内部温度场变化发生破坏。沥青路面结构应力主要包括荷载应力和温度应力。目前，对路面温度应力的研究主要通过有限元数值模拟分析方法，通过ABAQUS等有限元软件可以方便的对路面结构划分网格、简化作用在路面的荷载并进行数值模拟，但因轮胎与路面非均匀接触时的压力、轮胎的曲线足迹、轮迹的横向分布等因素考虑不同，其模拟结果也存在较大差异[1-4]。本文通过ABAQUS软件模进行路面结构应力分布和温度应力分布，分析沥青路面受力情况。

1 有限元模型的建立

1.1 网格划分

根据温度场理论，通过Fortran语言编写DFLUX子程序。通过ABAQUS有限元软件建立2D模型，采用等参八节点四边形平面应变单元CPE8R，模型长3.75m，高3m[2]。模型网格划分如图1所示。边界约束条件为：下边界处x，y方向位移为0；左右边界处x方向位移为0；上边界处为自由边，不受约束。

图1 有限元模型网格划分

图2 路面结构组合

1.2 路面结构及荷载参数

路面结构模型采用半刚性基层沥青路面，路面结构如图 2所示。问了便于计算，沥青面层、水稳碎石层和级配碎石层的热传导率分别为4600（W/(m·K)）、5616（W/(m·K)）和 5000（W/(m·K)）；沥青层、水稳碎石层和水稳层回弹模分别为1000MPa、1500 MPa和300 MPa，泊松比均取0.3。有限元分析时，将双圆均布标准荷载100kN进行简化，如表1所示。

2 计算结果与分析

2.1 荷载应力分析

根据ABAQUS计算结果，路面结构应力云图如图3～图5所示。

图3 路面结构正应力云图

图4 路面结构拉应力云图

图5 路面结构剪应力结构云图

由图3～图5可知，路面面层主要受压应力，其中最大压应力出现在道路表面大小为0.097MPa。压应力在向路面深处传递过程中逐渐减小，最终过渡到受拉状态，因此最大拉应力位于底基层，大小为0.091MPa，土基应力响应可忽略不计。最大剪应力出现在道路表面，大小为0.109MPa，主要集中在两个荷载圆之间。

2.2 温度应力分析

引入温度场后，可观察不同时刻下各结构层内部的温度变化以及热量传递状况，半刚性基层沥青路面内部温度变化及热量传递状况如图6，7所示。

图6 各结构层温度

图7 热量传递

从图6图7可以看出，路面热量传递为面层至基层，其中最高温度为33.12℃，位于上面层中部，远远高于大气温度，这是由于路面对太阳辐射的吸收率远高于空气。路表面的温度变化受气温影响极大，随着结构层厚度的增加，热量传递速率逐渐减慢。

3 结论

（1）在轮载作用下，沥青面层主要受压应力，且压应力向路面传递过程中逐渐减小，逐渐过渡到拉应力，最大拉应力出现在基层处；最大剪应力在路面表面，位于两个轮载之间。

（2）路面热量从面层传递至基层，最高温出现在距离路表3-5cm，热量传递速率随着结构层深度的增加而减小。