温度与移动荷载作用下特重交通RCC基层沥青路面结构响应分析

2019-04-16高晓伟颜薇宋珲任东亚艾长发

中外公路 2019年1期

高晓伟，颜薇*，宋珲，任东亚，艾长发

(1.西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031； 2.道路工程四川省重点实验室;3.厦门百城建设投资有限公司)

在日益增长的交通量和重载车辆的反复作用下，沥青路面易被破坏。为恢复路面性能，延长修复后路面的使用寿命，针对交通特点与环境条件，合理选择路面改造措施是关键。其中，碾压混凝土(RCC)基层沥青路面由于其施工便捷以及良好的力学性能，在路面改造以及低等级路面中使用较广。章佩佳认为RCC基层使应力在基层和面层之间进行了重分布，有利于保护基层，提高结构承载能力；黄准生认为RCC基层的厚度取18～24 cm较为适宜，在基层与沥青面层之间设置土工织物或级配碎石过渡层能够有效延长结构使用寿命；谢光宁认为在广东高温多雨地区RCC基层路面相比柔性路面在解决重载交通下沥青路面耐久性的问题上更有优势；美国学者Delatte提出由RCC和热拌沥青(HMA)组成的复合式路面系统在承受重载交通时耐久性表现出色；Plati认为RCC的压实模式(静态，动态，两者结合)以及温度条件对其所在路面结构的承载力和使用寿命有较大影响。以上研究为RCC基层在新建与改造路面工程中的应用提供了理论与实践支撑，但由于RCC材料温度敏感性较强，在高温和大温差下会在内部产生较大温度应力甚至影响结构的力学性能与使用寿命，而目前关于RCC基层沥青路面在温度以及温度与移动荷载耦合作用下的动态力学响应研究较少，为此，该文依托南方某市某特重交通市政道路路面改造工程，利用Abaqus软件对RCC基层、组合式基层以及传统半刚性基层沥青路面进行动态力学响应和温度+移动荷载耦合分析，对比3种结构的性能优劣。

1 路面结构方案和计算模型

1.1 路面结构方案

图1为3种路面结构方案。其中结构1为原路面半刚性基层结构，由于较大的交通量以及重载车辆的长期作用导致结构1基层以上结构遭到破坏；结构2、3为两种改造方案，分别为RCC基层和组合式基层沥青路面结构。

图1 3种路面结构(单位：cm)

1.2 计算模型

图2为3种路面结构采用有限元计算模型，3种结构均长8 m，宽6 m，土基厚度5 m，X方向为荷载移动方向，Y方向为路面厚度方向，Z方向为道路横断面方向。其中半刚性基层路面总厚72 cm，组合式基层路面总厚104 cm，RCC基层路面总厚114 cm，其基层有1 cm切缝，切缝之间没有力学传递。计算模型为连续模型，各结构层之间完全黏结(Tie约束)。

图2 有限元计算模型

1.3 气象参数与材料热物性参数

沥青路面温度场的计算是一个复杂的过程，受许多因素影响，其中外部环境影响因素有：外部环境24 h气温变化、日太阳辐射总量Q、日平均风速v以及日照时间c。以Abaqus有限元分析软件为计算平台，借助用户子程序FILM、DFLUX，考虑在太阳辐射、路面有效辐射、气温及对流热交换影响作用下，模拟周期性变温条件下路面结构温度场。传热模型为一维传热，热流沿着路面竖向进行传递，辐射面为路面结构的上表面。参考文献[7]、[8]取值，路面发射率ε取0.9，太阳辐射吸收率as取0.85，Stefan-Boltzmann常数取2.041 092×10-4J/(h·m2·K4)，绝对零度值TZ取-273 ℃，其余气象参数与材料的热物性参数如表1、2所示，其中气象参数选取7月夏季高温时期。

表1 气象参数

注：Q=25.8 MJ/m2，c=11.8 h，v=2.65 m/s。

表2 材料热物理参数

首先计算路面温度场，再采用Abaqus提供的顺序热力耦合分析方法进行温度应力分析。沥青面层材料SMA-13、AC-20以及AC-25采用广义Maxwell黏弹性本构模型进行模拟，使用广义Prony级数拟合，时温等效原理采用Williams-Landel-Fer方程(WLF方程)拟合，其余结构层材料采用线弹性模型。

式中：T0为参考温度，这里取20 ℃,C1和C2为试验确定系数。

除了常规的力学参数外，材料线性膨胀系数尤为重要，各类材料热力学参数如表3～6所示。另外，RCC、土工格栅、水泥稳定碎石、级配碎石、土基等几种材料的线膨胀系数受温度影响可忽略不计，该研究分别拟定为1.0、6.0、0.98、0.5、0.45(×10-5/℃)。

1.4 移动荷载模式

移动荷载通过Abaqus子程序DLOAD以及UTRACLOAD实现，荷载移动区域为图2中结构表面4 m深色部分，沿X轴方向，采用标准BZZ-100单轴双轮荷载，并将接地面积由当量圆简化为面积相当的矩形，如图3、4所示。接地压力取为0.7 MPa，水平方向压力取0.35 MPa。所有计算数据取自各结构层表面，温度场及温度应力取最大值，温度荷载耦合取路面中间轮载中心处。

表3 路面结构材料力学参数

表5 黏弹性材料WLF方程参数

表4 黏弹性材料Prony级数

注：gi为材料剪切常数；τi为松弛时间；表3～5参数均基于20 ℃；瞬态模量：SMA-13:11 100 MPa；AC-20:14 500 MPa；AC-25：13 500 MPa。

表6 路面结构材料线膨胀系数

图3 荷载接地面积转换

图4 单轴双轮荷载(单位：cm)

2 温度行为分析

2.1 温度场分析

图5为3种路面各结构层顶面的温度在24 h中的变化情况。由图5可知：半刚性基层、RCC基层和组合式基层3种路面结构的温度场分布差别不大。在夏季高温条件下，24 h内，路面结构内的温度最大值由基层变化到上面层，再由上面层变化到基层。面层尤其是上面层温度变化幅度最大，基层及以下结构层变化幅度较小，RCC切缝处并无明显的温度梯度变化。路面结构内的最低温度出现在05：00时左右，日出之后结构内温度明显上升，最高温度出现在14：00时左右，日落之后温度缓慢下降。

2.2 温度应力分析

图6为3种路面各结构层顶面的温度应力在24 h内的分布情况，温度应力主要集中在基层及以上结构层。

图5 不同路面结构温度场分布

图6 不同路面结构温度应力分布

从图6可看出：各结构层的温度应力变化趋势与大气温度变化密切相关。从0:00时到06:00时左右，由于大气温度不断下降，面层承受较小的拉应力，06:00时以后气温快速上升，拉应力快速减小，压应力迅速增大，并在13:00时左右达到最大值，随后随着大气温度降低，压应力开始快速下降，并会呈现出拉应力增大的趋势。基层与面层的温度应力变化规律大致相似，但是在19：00时左右基层顶面压应力达到最大，其值是面层压应力最大值的10～20倍，基层是温度变化引起压应力最明显的路面结构层。

3种不同结构面层的温度应力随时间的变化情况大致相同，但是在基层表面，原路面半刚性基层结构(结构1)承受的压应力明显大于碾压混凝土基层和组合式基层路面改造结构(结构2、3)，两种改造结构较原结构的力学优势非常明显，由于组合式基层路面下面层为20 cm ATB-25沥青碎石过渡层，所以面层力学性能较好，基层顶面的压应力较小。碾压混凝土基层路面的RCC切缝处并无明显的应力集中现象，不会影响RCC基层的承载能力，温度应力最大值1 312 kPa出现在切缝靠路面中间处，最小值634.6 kPa出现在两侧路面边缘处。

3 温度与移动荷载耦合行为分析

选取14：00时研究典型温度场与移动荷载共同作用，荷载移动速度20 m/s，移动区域长4 m，移动时间为0.2 s。计算点位于轴载中心，荷载移动到该点正上方时间为0.1 s。

3.1 沥青层剪应力分析

图7为移动荷载与温度共同作用下3种路面结构下面层顶部的剪切应力随荷载移动时间的变化趋势。

图7 不同路面下面层顶面剪切应力

由图7可得：随着荷载开始移动，剪应力非常小，几乎等于0，当荷载移动到计算点附近时剪应力急剧增大，之后又急剧减小至0。原路面结构的下面层顶面剪应力最大值明显大于结构2和3，其峰值达到1.296 MPa，分别是后两者的1.85倍和1.63倍，后两者差别不大。

剪应力主要集中在沥青面层，最大值出现在中、下面层之间，是使路面产生剪切破坏的内因，在较高的温度条件下，沥青路面容易遭受剪切破坏，所以尤其在南方高温多雨地区，设计路面结构时要尽可能控制剪应力，以免由于路面剪切破坏而降低路面的承载能力和使用性能。从抗剪切性能来看，结构2和3更优。但结构2的切缝两侧尖端处容易有剪切应力集中造成剪切破坏，需提高切缝处抗剪能力，如在RCC板缝处设置抗剪钢筋。

3.2 沥青层底拉应变分析

图8为移动荷载与温度共同作用下3种路面结构沥青层层底弯拉应变随荷载移动时间的变化趋势。

图8 不同路面结构沥青层底应变

从图8可以看出：荷载距离计算点较远时，沥青层层底承受较小压应变，当荷载靠近计算点时，沥青层层底的压应变越来越小，弯拉应变越来越大，在0.1 s时到达峰值，之后随着荷载移动，弯拉应变快速减小。3种结构中结构1的弯拉应变峰值最大，结构2和3较小，从沥青层层底的弯拉应变情况来看，结构2的力学性能最优，承载能力最好，结构3次之，结构1最差。

3.3 土基顶面压应变分析

图9为移动荷载与温度共同作用下3种路面结构土基顶部压应变随荷载移动时间的变化趋势。

图9 不同路面结构土基顶部应变

从图9可以看出：随着荷载移动，土基顶部压应变逐渐增大，并在荷载到达计算点附近时达到最大值，之后又逐渐减小。3种结构中结构1的土基顶部压应变峰值最大，达到29.22×10-6，分别是结构2和3的2.5倍和1.6倍。从土基顶部压应变情况来看，结构2力学性能最好，结构1最差，结构3居中。

4 损伤寿命预估

在路面结构的损伤分析中，基于Miner线性损伤模型，沥青层层底拉应变和土基顶部压应变分别用于疲劳开裂分析和永久变形分析。疲劳开裂的破坏极限用式(1)表示：

Nf=0.414(εt)-3.291(E)-0.854

(1)

式中：Nf为防止疲劳开裂的允许荷载重复作用次数；εt为沥青层底部的拉应变；E为沥青层的弹性模量。

永久变形的破坏极限用式(2)表示：

Nd=1.365×10-9(εc)-4.447

(2)

式中：Nd为限制永久变形允许通过的荷载重复作用次数；εc为土基顶部压应变。

一年中路面的总损伤率用式(3)表示：

(3)

式中：Dr为路面一年内的总损伤率；p为时期数；m为荷载组数；ni,j为i时期荷载j的预期重复作用次数；Ni,j为i时期荷载j的允许重复作用次数。

根据依托工程现场统计的交通量，计算得到路面模型一年的荷载重复次数为7 830 345次,一年末总损伤率的倒数即为路面的预期寿命。3种路面结构的损伤分析结果如表7所示。

表7 损伤分析结果

注：表中带方框的数据为各方案对应的由控制损伤模式所决定的寿命，即设计计算寿命。

沥青层层底的拉应变越大，疲劳开裂损伤越大，疲劳寿命越小；土基顶部的压应变越大，永久变形损伤越大，永久变形寿命越小。所以，在沥青路面结构的设计施工尤其是改造提质过程中，要严格控制沥青层层底的弯拉应变和土基顶部的压应变，以免由于产生疲劳开裂破坏或者永久变形破坏而影响路面的正常使用。从表7可得，从路面疲劳开裂和永久变形情况来看，结构2力学性能最好，使用寿命最长。