高速公路改扩建新旧路面拼接力学响应分析

牛京涛，张玉斌

（安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司公路交通节能与环保技术及装备交通运输行业研发中心，安徽 合肥230008）

1 引言

随着我国经济的快速发展，对交通环境的要求也逐渐提高。高速公路改扩建在今后将会是我国公路建设的重要任务之一，改扩建工程存在一定的特殊性及复杂性。高速公路改扩建设计，应遵循“利用与改扩建充分结合、建设与营运相互协调”的原则，新旧路面的拼接设计是改扩建工程中的重要环节，与施工阶段运营期保通方案息息相关，也与路面铣刨废旧材料的再生循环利用相互联系。新旧路面拼接部位是改扩建工程路面结构的薄弱环节,合理的拼接方案可以使新旧路面成为一个整体,保证路面结构的耐久性和使用寿命;反之,不合理拼接方案会使路面结构存在安全隐患,降低路面耐久性,缩短路面的使用寿命。

如何科学合理的确定扩建工程新旧路面拼方案，一直是改扩建工程中最重要的设计环节。文章依托G42S上海至武汉无为至岳西段高速公路“四改八”工程，通过数值模拟分析手段，结合实际工程情况，利用有限元数值分析软件对新老路面拼接结构进行受力分析，为拼接设计提供理论依据。研究不同拼接缝起始位置、拼接台阶搭接宽度对拼接结构的力学响应，并根据工程实践经验，确定最佳的改扩建新旧路面拼接方案。

2 有限元模型及计算假设

2.1 模型计算理论与假设

考虑到行驶车轮作用的瞬时性，在路面结构产生的黏塑性变形数量很小，所以对厚度较大、强度较高的高等级路面，将其视作线弹性体，可采用弹性层状体系理论。采用弹性层状体系理论引入以下假设：

①各层连续、完全弹性、各向同性的，以及位移和形变是微小的；

②最下一层在水平和垂直向下方向为无限大，其上各层厚度有限，水平方向无限大；

③各层在水平方向无限远处及最下一层向下无线深处，其应力、形变、位移为零；

④不计自重。

2.2 计算模型参数

参照相关规范中沥青路面各结构层材料的参数值，并考虑运营期路面结构层的疲劳和旧沥青混合料老化的影响，确定的计算结构参数如表1所示。

有限元计算采用材料参数 表1

2.3 有限元模型尺寸

路面宽度方向以第三、四车道中间为中心取11m宽度参与计算；取不小于4m范围内的路基高度参与计算；单元格类型选用plane42。

2.4 施加荷载及位置

图1 荷载平面分布示意图

荷载大小采用标准轴载（0.7MPa），考虑第二车道基本不通行大货车，因此第二车道的荷载应进行折减，假定其轴载为0.35MPa。车辆荷载主要技术指标：两侧车轮中心线距离取1.8m，车轮着地宽度取0.6m。荷载布置如图1所示。

2.5 边界约束条件及计算结果取值

①边界约束条件。模型底面无竖向和水平位移，侧面只有竖向位移而无水平位移。

②计算结果取值。计算结果以剪应力为考察指标。由于拼接缝处、重铺缝是结构层薄弱部位，因此拼接缝处、重铺缝处的最大剪应力是取值对象。

3 有限元计算结果

3.1 拼接缝起始位置

计算各种工况下拼接缝处最大剪应力，拼接缝起始位置以第2、3车道标线中心为原点向内为负向外为正，计算分析的应力云图如图2所示，各种工况下的计算结果如表2所示。

为了更直观对比不同拼接缝起始位置相应拼接缝处应力，以第一组数据为为基准，得到各种工况下最大剪应力比值，如图3所示。

从上图中可以看出，各拼接缝处的最大剪应力随着拼接缝往外侧（往第三车道）方向移动有逐渐增大然后减小的趋势。拼接缝1、2、3及整体应力水平拼接缝起始位置位于65cm时应力最大，从1.3m逐渐减小，在第二、三车道的中间偏内40cm以及偏外1.7m时应力水平较低。

图2 有限元计算应力云图

图3 最大剪应力比值与拼接缝位置关系图

有限元计算最大剪应力表 表2

拼接起始位置与台阶宽度组合方案表 表3

根据现场施工情况，大型铣刨设备的工作宽度最小为2m，考虑一定的安全距离应保证原硬路肩铣刨2.2m以上。根据数值计算结果，考虑改扩建工程“保四”的要求以及现场施工便利性，推荐拼接缝起始位置为第二、三车道的标线中心偏外1.3m。

3.2 台阶搭接宽度

为了保证拼接位置不处于车道轮迹带范围内（车轮着地宽度取60cm），拼接缝起始位置以第2、3车道标线中心为原点，提出台阶宽度组合方案，如表3所示。

计算以上八个方案各个拼接缝处最大剪应力，计算结果如表4所示。

从图4中可以看出，方案七整体应力水平最低，因此，从受力角度考虑，建议采用方案七，即采用面层、基层拼接台阶采用15cm、25cm、200cm的组合方案。

4 结论

①随着拼接缝起始位置往外侧（往第三车道）方向移动，新旧路面拼接处应力有逐渐增大然后减小的趋势，位于65cm时整体受力最大，然后逐渐减小。

②考虑改扩建工程“保四”的要求以及现场施工便利性，推荐拼接缝起始位置为第二、三车道的标线中心偏外1.3m。

③为了保证拼接缝位置不处于车道轮迹带范围内，根据不同组合方案的有限元计算分析，采用面层、基层拼接台阶采用15cm、25cm、200cm的拼接方案整体应力水平最低。

拼接方案计算最大剪应力表 表4

图4 不同方案最大剪应力比值比较图

图4 不同方案最大剪应力比值比较图