低温重载作用下沥青路面结构应力分析

文/于千 杨旭姣 赵欢

随着我国经济建设的迅猛发展，我国的公路网越来越致密，车辆速度提高，货车载重量增大，超载现象严重，尤其是针对吉林等冬季寒冷地区，沥青混凝土路面气温最低可至零下十几度到三十几度，且白天和夜晚温差大，所以在低温-重载作用下沥青混凝土路面易发生病害。本文即通过ABAQUS软件模拟低温-重载作用下沥青路面结构的应力变化，指出其中的规律，为低温环境下高速公路路面设计提供理论支持，为促进我国东北、西北等地公路交通基础设施的健康发展提供参考。

0.引言

交通运输部公路科学研究院近几年研究表明：山西省作为煤炭产地，公路运输超载、超限现象极为普遍，运煤车辆纷纷超载[1]。据调查，内蒙古110国道六轴货车，双轴轴载高达300kN，三联轴轴载高达520kN[2]。如此多的超载现象对沥青混凝土路面设计使用功能提出了更高的要求。尤其是针对东北、西北等易发生冻融循环地区，对路面的性能要求更高，随着车速的增高和车辆载重的增加，这就使得传统的静态设计方法[3]不能充分真实地反映路面的实际受力状况，更无法对高速重载车辆作用下的路面响应进行合理的分析。综上，本文针对沥青混凝土路面在低温-重载作用下的应力响应进行分析，旨在为冬季寒冷地区高速公路路面设计理论参考，为预防和治理低温环境下沥青路面早期破坏提供一定的理论依据。

1.有限元模型基本理论

1.1 沥青路面温度场

1.2 三维动态有限元方程

根据弹性动力学变分原理[5]，弹性系统动力学有限元方程为：[M]{δ¨ }+[C]{δ˙}+[K]{δ}={F（t）}

式中：[M]、[C]、[K]——质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵；

{δ¨ }、{δ˙}、{δ}——加速度、速度、位移向量；

F（t）——动荷载。

2.重载交通下沥青路面受力分析

2.1 沥青混凝土路面结构材料确定

为了定性地分析各参数对重载交通下沥青路面应力的影响[6]，本文以珲乌高速为例进行简单的模型建立，经调查可知珲乌高速主线和匝道路面结构，如下图1所示：

图1 珲乌高速路面结构图

根据规范建议模型内的基本参数如下表1所示：

表1 路面结构层材料参数

以上数据为例，建立三维沥青路面有限元模型，为使所建模型更加合理，模型尺寸设为8m×6m×5m，路面结构在以上基础上加入土基。

2.2 重载交通货车轮胎荷载确定

为更好了解重载公路轮胎接地压强分布情况，确定荷载作用模式，研究表明，采用重载公路标准轴载为P0=140kN，轮胎接地压强p0=1.10MPa，荷载圆直径为d=21.13cm，两轮中心距为1.5d[7]。为简化模型，移动荷载只在道路中间行驶，简化后的荷载作用面积为矩形 结合上文路面材料，利用ABAQUS软件可得沥青路面模型如下图2所示：

图2 重载交通下沥青路面模型

3.沥青路面温度场模拟

3.1 路面结构及材料参数

还是以珲乌高速为例，经调查，各种材料的热特性参数及路面结构取值[8]如下表2所示：

表2 各种材料的热特性参数及路面结构取值

3.2 温度场模型建立

采用ABAQUS有限元软件，利用以上数据模拟高寒地区沥青路面在降温过程中路面温度场的影响因素及变化规律[9]。温度场模型如下图3所示：

4.低温-重载耦合作用下沥青路面结构应力响应

4.1 各结构层压应力横向变化分析

图5为沥青层压应力横向变化趋势图。由图可知，上面层压应力在轮载作用边缘存在奇异性[10]（B点左侧为1.02MPa，右侧为0.51MPa）；中面层和下面层在荷载作用中心取得最大值，中面层最大值为0.87MPa，下面层最大值为0.83MPa。

图5 沥青路面压应力横向变化趋势图

图6 沥青路面剪应力横向变化趋势图

4.2 各结构层剪应力横向变化分析

由图可知，在低温-重载作用下，中面层剪应力最大，上面层其次，下面层最小；中面层和上面层剪应力最大处位于荷载作用中心，最大值分别为0.16MPa和0.07MPa；下面层在荷载外边缘处剪应力最大，最大值为0.03MPa。

5.结论

本文针对低温-重载作用下沥青路面结构，以珲乌高速为例，考虑低温条件与重载条件耦合作用，研究低温-重载作用下沥青路面结构力学响应，主要结论如下：（1）上面层压应力会在轮载作用边缘存在奇异性，中面层和下面层在荷载作用中心取得最大值，因此在低温-重载环境下沥青混凝土路面设计时要着重考虑行车道中心路面设计要求。（2）在低温-重载作用下，沥青路面在剪应力作用下易发生车辙、推移等，其中中面层剪应力最大，上面层其次，所以在路面抗车辙设计时不仅要考虑上面层，中面层设计材料也要针对低温环境进行合理选择。（3）低温-重载耦合作用下沥青混凝土路面横向剪应力更大，更易引起路面破坏，因此，在沥青混凝土路面设计中考虑温度和重载的耦合作用更为安全。C

引用出处

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