动态荷载作用下半刚性沥青路面动力响应研究

刘凯　徐晓美　张磊　张小惠

摘要：相关研究表明，在进行半刚性沥青路面动力响应研究时，静载模式已经不能解释动态荷载作用下路面结构产生的各种现象，因此亟需开展动态荷载作用下半刚性沥青路面的动力响应研究。本研究首先根据道路参数，运用ABAQUS软件建立沥青路面与路基的三维动力分析模型，研究在ABAQUS中移动恒载及半波正弦荷载的加载实现方式。然后基于所编写的加载程序，研究半波正弦荷载与移动恒载作用下半刚性沥青路面各层的动力响应情况。最后，针对受力情况较为严重的沥青面层，研究不同车速下沥青面层的动力响应。分析结果表明：在动态荷载作用下，半刚性基层的水平方向及垂直方向动力响应明显，各面层之间的各向应力都较大;随着车速的增加，路面的各向应力呈现减小趋势。

关键词：动态载荷;半刚性沥青路面;动力响应;有限元分析

中图分类号：U416.01文献标识码：A文章编号：1006-8023（2019）02-0082-05

Research on Dynamic Response of Semi-rigid Asphalt Pavement under Dynamic Load

LIU Kai， XU Xiaomei， ZHANG Lei， ZHANG Xiaohui

（College of Automobile and Traffic Engineering， Nanjing Forestry University， Nanjing 210037）

Abstract：Research results show that the static load mode cannot be used to explain the various phenomena generated by the pavement structure under dynamic loading while studying the dynamic response of semi-rigid asphalt pavement. Therefore， the study on dynamic response of semi-rigid asphalt pavement under dynamic loading urgently needs to be performed. Firstly， based on the road parameters， the three-dimensional dynamic analysis models of asphalt pavement and subgrade were established by using ABAQUS software. The implementation of load for moving constant load and half-wave sinusoidal load in ABAQUS was studied. Then， based on the loading program， the dynamic response of each layer of semi-rigid asphalt pavement under half-wave sinusoidal load and moving constant load were studied. Finally， the dynamic response of the asphalt surface layer at different speeds was studied with serious stress. Analysis results show that under the dynamic load， the dynamic response of the semi-rigid base layer is obvious in the horizontal direction and the vertical direction. Stress between the layers is large in various directions. With increasing of vehicle speed， the lateral stress of the road surface will decrease.

Keywords：Dynamic load; semi-rigid asphalt pavement; dynamic response; finite element analysis

0引言

目前将车辆荷载视为静荷载，路面结构视为弹性体系结构的设计方法在沥青路面设计中应用十分普遍 [1-2]。但随着高速公路运输高速重载化的发展，在行驶过程中，会加快道路破坏，严重影响道路的使用寿命，静载模式已经不能解释动态荷载作用下路面结构产生的各种现象 [3-4]。因此，研究动态荷载作用下半刚性沥青路面动力响应具有十分重要的意义。Jianmin Wu等 [5]利用ABAQUS建立三维有限元模型，分析了混凝土路面结构在移动荷载作用下的沥青隔震层的动力响应，并通过改变隔震层厚度、模量、隔震层与混凝土板的组合方式计算了临界位置处的应力和挠度。Karimi M M等 [6]基于实验观测，提出了累积恢复粘弹性应变函数的沥青混凝土硬化—松弛本构模型，并将模型与粘弹性、粘塑性和粘损伤本构关系耦合，最后通过不同加载方案的独立实验室试验，验证了所提出的硬化-松弛本构关系。Liu F等 [7]在广东云罗高速公路试验段的基础上，采取了FWD作為加载工具，利用了有限元分析软件ANSYS，得到了各路面结构层的内部变化规律。

本论文利用ABAQUS软件建立半刚性沥青路面的三维有限元模型，基于此模型，研究在半波正弦动态荷载和移动恒定荷载两种动态荷载作用下的路面动态响应，同时讨论在不同车速作用时，路面的动力响应。

1动态荷载及其模拟实现

汽车产生的动荷载一般分为两个部分：一部分是汽车本身的重量，即固定荷载;另一部分是汽车在路面上行驶时由于振动产生的附加荷载 [8-9]。我国路面设计规范中采用双轮组单轴载100 kN作为标准轴载，以BZZ-100表示 [10]。

1.1半波正弦动态荷载的模拟与实现

半波正弦模拟实际车辆荷载的表达式为 [11-12]

P（t）=p0sin（ωt） 。 （1）

式中：p0为轮胎压力;ω为振动圆频率，ω=2πV/L;V为车速;L为路面几何曲线波长，L取6m。

设汽车车速 V 为72km/h，已知轮胎压力 p 0为0.7 MPa，则将车轮动态荷载简化为公式（2）的半正弦波动荷载。

P（t）=0.7 sin （20πt/3）×106，0≤ t ≤0.3s 。 （2）

在ABAQUS软件中通过增加幅值方式来实现半波正弦动态荷载的加载，具体操作如图1所示。

1.2移动恒定荷载的模拟与实现

通过ABAQUS自编子程序实现移动加载，随着时间的变化，荷载沿预定义的路径向前移动。首先，沿荷载移动方向设荷载移动带，移动带沿路横向的宽度与施加均布荷载宽度相同，沿纵向的长度即为轮载行驶的距离。然后，将荷载移动带细化成多个小矩形。小矩形的长度依据计算精度而定，本文中取为加载宽度的1/3。每个矩形的大小为0.213 m×0.167 m。如图2所示，初始状态荷载占了3个小矩形，即图2中1号、2号和3号。荷载沿移动带逐渐向前移动，每个荷载步结束时，荷载整体向前移动一个小矩形。如第一个荷载步结束时，荷载占据2号、3号和4号矩形。为了提高计算精度，可将每个荷载步进一步细分为多个荷载子步，如第一个荷载步移动荷载的作用使1号矩形上的荷载逐渐减小，4号矩形上的荷载逐渐增大，逐步达到荷载移动的效果。荷载的移动速度可以通过设置每个子步的时长来实现。

本文中移动荷载为规范中规定的标准轮胎接地压强0.7 MPa [13]，汽车荷载移动速度为72 km/h，则0.3 s前进6 m，按照网格尺寸大小可知，汽车荷载在0.3 s内占有的矩形数为6/0.167=36个。移动荷载在ABAQUS里通过编写子程序实现。

2动态荷载作用下的动力响应

我国的半刚性沥青路面通常由半刚性材料底基层、半刚性材料基层和沥青面层构成，泊松比参数一般不考虑温度变化 [14-15]。本文选择我国广泛采用的典型半刚性沥青路面结构作为研究对象，其路面相关参数见表1。

依照表1中数据，建立半刚性沥青路面结构的三维模型。为便于分析研究，选取轮胎接地印迹沿深度方向上各层对应节点的响应值来分析整个路面上各层结构的动力响应，以轴载100 kN，汽车行驶速度72 km/h为例，在ABAQUS中分别研究半波正弦荷载作用和移动恒定荷载作用下路面的动力响应。

研究表明，研究结果大体可由6个面层作为代表，分别是沥青面层顶部、沥青面层与基层结合处、基层中部、基层与底基层结合处、底基层与土基结合处和土基中上部。图3～图6是半波正弦荷载作用下的响应结果，图7～图10是移动恒定荷载作用下的响应分析结果。这些图中，1代表沥青面层顶部，2代表沥青面层与基层结合处，3代表基层中部，4代表基层与底基层结合处，5代表底基层与土基结合处，6代表土基中上部。

由图3～图6可知，在半波正弦荷载作用下：垂直正应力与水平正应力在基层与底基层结合处达到最大;在底基层与土基结合处，横向正应力达到最大;在基层中部，水平剪应力达到最大。由图7～图10可知，在移动恒载作用下，水平正应力和横向正应力在沥青面层顶部均达到最大;垂直正应力在沥青面层与基层结合处达到最大;水平剪应力在沥青面层与基层结合处达到最大;各应力在土基中上部均接近于零。

以上分析进一步验证了路面的疲劳破坏是动载引起的水平应力、横向应力和垂直应力共同作用的结果，水平应力的交替变化是使路面产生疲劳破坏的主要因素，横向应力的作用也同样不可忽视;沥青面层处于三向受压状态，它的破坏主要是层间存在大量的剪切应力所致;半刚性基层和半刚性底基层是主要的承重层，水平方向和横向都处于受拉状态，最大水平拉应力和最大横向拉应力都发生在半刚性底基层的底部。此外，由仿真结果可知，在本文作用的载荷条件下，半刚性路面的疲劳破坏首先是从半刚性底基层底部开始的。

3不同车速下沥青路面响应分析

由上述分析可知沥青层面层受力情况较为严重，故以下将选取面层的垂直正应力、水平剪应力和基层底部的橫向正应力、水平正应力为研究对象，比较不同车速下沥青面层的响应情况。

由图11～图14可以看出，随着车速的增大，路面结构沥青面层垂直正应力、水平剪应力和基层底部的横向正应力、水平正应力产生的动力影响均呈现减小的趋势。这说明，车速越快沥青面层的受力状况越好。但从这些图中变化来看，车速变化对沥青路面结构的垂直正应力、水平拉应力与横向拉应力的动力影响明显。在低速行驶时，这几种应力对沥青面层影响十分严重。

4结论

（1） 路面的疲劳破坏是动载引起的水平应力、横向应力和垂直应力共同作用的结果，水平应力的交替变化是使路面产生疲劳破坏的主要因素，横向应力的作用同样不可忽视。

（2） 沥青面层处于三向受压状态，它的破坏主要是层间存在大量剪切应力所致;半刚性基层和半刚性底基层是主要的承重层，水平方向和横向都处于受拉状态，最大水平拉应力和最大横向拉应力都发生在半刚性底基层的底部，半刚性路面的疲劳破坏首先是从半刚性底基层底部开始的。

（3） 车速变化对沥青路面结构的垂直正应力、水平拉应力与横向拉应力的动力影响明显，但随着车速增加，路面的各向应力呈现减小趋势。这与文献[7]、文献[16-18]的试验研究结论是吻合的。由此，进一步表明，本文在ABAQUS软件中模拟动态荷载方法的可行性。

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