动荷载下双绞合钢丝网沥青加铺路面有限元分析

2021-12-30秦仁杰邱冬华

山西建筑 2021年1期

梁勇秦仁杰邱冬华

(长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙 410015)

0 引言

我国水泥混凝土路面自20世纪80年代进入蓬勃发展时期，随着道路交通量的不断增长，使用年限的不断增加，水泥混凝土路面也出现了许多问题，在水泥混凝土路面上加铺沥青面层是水泥混凝土路面改造常用的措施。然而由于旧水泥路面与沥青加铺层之间的刚度相差较大，且旧水泥混凝土路面每隔一定距离会设置接缝，这便使得这种加铺结构易出现沥青加铺层反射开裂的问题[1]。

双绞合钢丝网作为一种路面加筋材料，经过了大量试验研究和工程实践证明，发现其可以大大提高加铺层的抗开裂、抗疲劳性能。林伟平、黄向京等[2]对比了多种防反射裂缝措施的方法，结果表明在一定基础条件下，用双绞合钢丝网来防治反射裂缝是很有效的。潘志歆[3]通过有限元软件ABAQUS建立了旧水泥路面沥青加铺结构的平面模型，研究了双绞合钢丝网在沥青加铺层当中的防裂效果。查旭东、朱凯等[4]通过有限元分析了AC+PCC复合式路面结构的力学响应。黄旭、查旭东等[5]通过对双绞合钢丝网、自粘式玻纤格栅、高强土工格栅以及土工布的抗裂性能进行了对照，结果显示抗裂性能最好的是双绞合钢丝网。

该文通过运用有限元软件ABAQUS，建立带缝旧水泥路面上加铺双绞合钢丝网沥青路面的三维模型，利用FORTRAN语言来编写DLOAD以及UTRACLOAD子程序，用来实现动荷载的施加。分析了双绞合钢丝网沥青加铺路面在动荷载下的动力响应，同时考虑到我国重载交通的普遍性，研究了重载交通对加铺层应力的影响，为后续双绞合钢丝网沥青加铺层路面的设计与应用提供参考。

1 有限元分析模型

1.1 模型介绍及材料参数

为了建立更合适的旧水泥路面上加铺双绞合钢丝网沥青路面的三维模型，研究沥青加铺路面的变化规律，对模型做出如下假设：

1)路面结构由AC加铺层、原水泥混凝土层以及路基层(路基层包括原水泥混凝土路面基层、底基层和土基)组成，各层都为均匀、连续、各向同性的线弹性体。2)考虑实际旧水泥混凝土路面存在接缝，在模型中水泥混凝土层设置了1 cm的接缝，不考虑接缝处荷载传递作用。3)层与层之间水平、竖向位移完全连续。4)不计路面结构的自重。5)模型底部采用完全固定约束，侧面约束水平方向位移。

该文运用ABAQUS/Stantrad(隐式)进行有限元分析运算，AC加铺层、水泥混凝土层及路基层网格单元采用三维线性八节点减缩积分单元(C3D8R)，双绞合钢丝网采用三维梁单元(B31)进行模拟，对荷载移动带以及接缝处位置网格进行加密，三维计算网格图如图1所示。模型中路面宽度X取4 m，行车方向Z取3.333 m，原水泥板块接缝间距为1 cm，计算路面结构时，基本材料参数见表1。

表1 材料参数

材料厚度/cm弹性模量/MPa泊松比AC101 2000.25水泥混凝土2430 0000.15路基—2000.3

双绞合钢丝网置于AC加铺层与旧水泥混凝土板之间，双绞合钢丝网与AC加铺层采用ABAQUS中的“embeded”指令使两者耦合，以此将双绞合钢丝网嵌入到沥青加铺层中[6]。双绞合钢丝网具有高模量、低蠕变、抗脆裂等优良性能，其力学性能见表2。

表2 双绞合钢丝网的力学特性

1.2 移动荷载的施加

基于有限元软件ABAQUS分别进行DLOAD以及UTRACLOAD子程序的开发应用，用DLOAD来实现移动竖向荷载的施加，用UTRACLOAD来实现移动荷载的水平荷载的施加[7]。水平荷载的大小为竖向荷载的15%，方向与行车方向相反[8]。该文当中采用行车荷载BZZ-100，轮压0.7 MPa，双轮中心距D=0.32 m，荷载作用面积简化为0.213 m×0.167 m，移动荷载带长3.333 m，由4排小矩形方格组成，如图2所示，当处于初始状态时，车轮位于1号矩形之上，当第一个时间步结束时车轮荷载位于第2号矩形之上。通过使用多个时间步来达到模拟移动荷载的作用效果。

2 力学分析

据相关科研成果表明[9]，旧水泥混凝土路面沥青加铺层容易产生的裂缝类型为剪切型和张开型，反射裂缝一般从层底反射上去，针对裂缝的易扩展位置，本文以接缝处轮载中心正下方AC层底点位为计算点位，以其最大剪应力和最大拉应力为计算指标。

2.1 加铺层的力学响应

在标准轴载作用下，保持路面结构不变，车速取60 km/h，时间取0.11 s，得到双绞合钢丝网加铺层结构的动力响应如图3所示，当对路面施加随时间变化的移动荷载时，随着时间的变化，计算点的应力也随之发生着变化，在某一时间点计算点的σ1和τmax会达到最大值。

由图3a)可知：当车辆从远方驶来的过程中，计算点的最大剪应力逐渐增大，当驶到计算点位正上方时，最大剪应力达到最大，最大为0.395 MPa，随着车辆驶离，最大剪应力也随之减小。由图3b)可知：当车辆从远方驶近的时候，计算点主要承受的是拉应力，当驶到计算点正上方时，点位应力产生突变，由拉应力转为压应力，压应力达到最大，随着车辆的驶离，应力状态又由压应力变为拉应力，拉应力最大为0.044 MPa。

2.2 重载的影响

重载是我国道路行驶车辆普遍存在的问题，会造成路面过早损坏,导致路面使用性能衰减加快，进而会导致路面使用寿命大大缩短，本文在路面结构中保持其他参数不变，车速取60 km/h，仅考虑超载使胎压增大，分析了胎压从0.70 MPa以20%的增幅逐级增加到1.40 MPa的受力情况，得到超载情况下的双绞合钢丝网加铺层的应力变化规律如图4所示。

由图4a)可知：沥青混合料加铺层层底的最大剪应力随着行车荷载的增大而呈现出上升趋势，且上升趋势接近于线性上升，当行车荷载从0.70 MPa增大至1.40 MPa时，动荷载作用下的加铺层层底最大剪应力分别增加19.99%，16.66%，14.28%，12.50%，11.11%。由图4b)可知：加铺层层底的最大拉应力随着行车荷载的增大而呈现出线性上升趋势，当行车荷载从0.70 MPa增大到1.40 MPa时，最大拉应力由0.044 MPa增长到了0.087 MPa，比标准轴载下增长了将近1倍。