移动荷载作用下CRC+AC复合式路面三维有限元分析

2020-09-04程焰兵

中外公路 2020年3期

程焰兵

(湖南中大设计院有限公司，湖南长沙 410075)

1 前言

连续配筋混凝土复合式路面(CRC+AC)为由连续配筋混凝土板(CRC)和沥青混凝土(AC)相组合而成的一种新式复合路面，其中CRC板是主要承重层，AC层为表面功能层。该路面结构兼具耐久性和舒适性等优点，是当前长寿命路面结构的重要研究方向。现行有关CRC+AC的理论技术研究还不完善，仍需研究。王斌、杨军利用有限元软件探究了连续配筋混凝土路面在不考虑水平移动荷载情况下的动力响应特性；高玲玲采用Bisar程序建立CRC+AC模型，对CRC+AC层间剪应力影响因素进行了分析；李盛、刘朝晖等通过Abaqus有限元软件，以CRC层最大主应力为指标，确定了CRC+AC临界荷位及结构层厚、模量等变量与CRC层荷载应力的关系；CRC+AC不设横向接缝，当前对该路面的相关研究，也多基于静载无横向裂缝模式，而随着交通量增加，尤其是交叉口车辆频繁启停段，该路面容易产生横向裂缝。该文运用大型通用三维有限元软件Abaqus，构筑带裂缝的路面结构三维模型，搭载Dload、Utracload子程序来施加竖向荷载、水平荷载，以路表弯沉、路面结构应力、钢筋应力为主要评价指标，对CRC+AC在移动荷载下的动力响应特性进行分析，以便为CRC+AC复合式路面设计和施工提供参考依据。

2 分析模型

2.1 模型介绍

参考国内外相关资料，模型中路面宽度X取3.75 m，路基深度Y取5 m,行车方向Z取6.387 m，横向裂缝间距为1.6 m，钢筋网位于混凝土板中间位置，网格尺寸因离荷载作用区远近由大到小。采用Abaqus/Standrad(隐式)求解器进行有限元计算。

2.2 材料和边界条件

模型与材料参数假定如下:

(1)模型材料属性假定为各向同性，材料阻尼由Rayleigh阻尼确定、层间状态假定为完全连续。

(3)刹车时作用于路面的制动力由公式Q=Pφ计算，其方向同车辆移动方向一致。其中Q为水平荷载；P为垂直荷载；φ为轮胎同路面间的附着系数，该文取正常制动情况，φ=0.2。

(4)选用弹性半空间地基模型，模型尺寸取有限大小，同时限制模型X、Y、Z三向位移。该文基础模型参数见表1。

表1 基础模型参数

2.3 车辆荷载

刹车荷载由垂直荷载和水平荷载组成，为方便建模计算，行车荷载选用BZZ-100, 轮压0.7 MPa，双轮中心距D=32 cm，荷载作用面积简化为22.8 cm×15.7 cm矩形，通过加载Dload和Utracload子程序实现车辆荷载移动，移动荷载带长2.28 m，由4排小矩形方格组成，每个轮载面积由3个小矩形组成，如图1所示。

图1 移动荷载带示意图(单位：cm)

3 计算分析

现有实体项目建设经验及相关科研成果表明：CRC+AC复合式路面主要破坏形式包括CRC与AC层间剪切破坏、CRC板边冲断破坏、纵向钢筋拉断破坏，针对常见病害，结合现行规范及研究成果，以轮隙中心处AC面层弯沉、轮载中心处AC/CRC层间剪应力、轮载中心处CRC及底基层层底弯拉应力、钢筋应力为计算指标。

以AC层厚、底基层模量、土基层模量、车速为变量，研究CRC+AC在动载作用下的动力响应规律，变量取值见表2。

表2 变量取值

3.1 AC层厚因素

在标准轴载作用下，保持底基层模量1 200 MPa、土基层模量50 MPa、车速80 km/h不变，改变AC层厚时，相应路面动力响应影响规律如图2所示。

由图2可以看出：AC层厚增加，对路表弯沉、钢筋应力、AC/CRC层间剪应力减小的作用逐步减弱，其中对弯沉影响较小，平均减小幅度在0.5%以内；而随着AC层厚的增大，CRC及底基层层底拉应力先减小后增大。这表明在基层、土基层等变量已确定时，对CRC+AC复合式路面结构而言存在一个最佳AC层厚度，单纯通过增加AC层厚来提高路面性能和使用寿命的做法不可行也不经济，该文模型对应AC层最佳厚度为8 cm。

图2 CRC+AC动力响应与AC层厚的关系

3.2 底基层模量因素

在标准轴载作用下，保持AC层厚为6 cm、土基层模量50 MPa、车速车速80 km/h不变，改变底基层模量时，相应路面动力响应的影响规律如图3所示。

图3 CRC+AC动力响应与底基层模量的关系

由图3可以看出：路表弯沉随底基层模量的增加而小幅降低，幅度在0.8%以内；随着底基层模量逐步增加，钢筋应力和AC/CRC层间剪应力呈现先减小后增大趋势，CRC层以及底基层的拉应力呈小幅增大趋势。因AC层与CRC层模量相差较大，CRC+AC复合式路面结构常因AC/CRC层间抗剪能力不足而引起滑移剪切破坏，这表明在采用模量较大的底基层材料时，需对 AC/CRC层间剪应力进行验算，以确保满足材料的容许抗剪强度要求。

3.3 土基层模量因素

在标准轴载作用下，保持AC层厚为6 cm，底基层模量1 200 MPa、车速80 km/h不变，改变土基层模量时，相应路面动力响应的影响规律如图4所示。

图4 CRC+AC动力响应与土基层模量的关系

由图4可以看出：路表弯沉值随土基模量的增加而显著降低，平均降低幅度为29%，这与实际观测到的路面变形情况相似；土基层模量、底基层模量与钢筋应力及AC/CRC层间剪应力的关系类似，增加土基层模量总体来看可以小幅度减小CRC及土基层拉应力。由以上分析可知，提高土基模量和施工质量可以较经济实用地提高CRC+AC的使用性能和寿命。

3.4 车速因素

在标准轴载作用下，保持AC层厚为6 cm、底基层模量1 200 MPa、土基层模量50 MPa不变，改变行车速度时，相应路面动力响应的影响规律如图5所示。

由图5可以看出：存在一个临界车速，在临界速度两边，车速增加对各动力响应指标的影响趋势相反，该文对应临界速度为80 km/h；车速对CRC层拉应力影响最大，当车速由60 km/h变为120 km/h时，CRC层拉应力增大了84%。综合考虑驾驶安全性以及高速行驶对路面的动力冲击，建议对车辆进行限速，以降低行车荷载对路面产生的冲击破坏。