我国公路车辆轴载特性对沥青路面的影响分析

4 非均布荷载作用下路面的应力应变场分析方法及举例
4. 1 传统分析方法的局限性及新的解决办法 对轮胎接触面附近路面内部力学响应的准确描述是解释道路表面裂缝成因的前提 ,简单的圆形均布
轮载假设并不能反映真实的轮胎接地压力的分布形式 ,因而用它计算出的路面力学响应与实际情况并不 相符 ,这就促使人们在路面分析中采用更符合实际的非均布轮载模型 。在现阶段 ,基于力学的沥青路面 结构设计方法大多采用多层弹性体系的解析方法进行路面结构的应力应变分析 ,然而 ,解析法除了对圆 形的轮胎接触面假设和均匀及简单的非均匀荷载分布形式进行描述外 ,难以对复杂荷载下路面力学响应 进行求解 。
1) 轮胎接地压力远非圆形均布的形式 ,在接触面上呈现出复杂的三维应力分布 。 2) 轮胎花纹严重影响轮胎接地压力的分布形式 。在花纹突起处 ,荷载集度很大 ;在花纹空隙处荷载 集度很小 ,甚至可能为 0 。 3) 轮胎气压决定轮胎压力峰值的位置 。在低胎压时 ,接地面积较大 ,压力峰值位于轮胎边缘 ;高胎压 时 ,接地面积较小 ,压力峰值移向轮胎中部 ;但对相同的胎压 ,轮胎中部的压力值变化并不明显 ,其荷载的 增减量基本上反映在轮胎边缘 。 4) 在光滑胎面的情况下 ,接触面上的切向力通常都是指向接触面的中心 。 3. 2 轮胎接地压力非均布性带来的可能后果 虽然计算路表深处的力学反映及路面结构的整体强度时 ,对相同的荷载大小和相同的路面结构 ,轮 胎作用于路面的分布形式对其力学影响的差异并不明显 ,但对路面结构表层处 ,特别是轮载作用面附近 , 荷载的分布形式对其力学影响会有很大的不同 。大量新建沥青路面在投入使用后不久 ,道路面层就出现 了裂缝 ,这种裂缝的出现远小于路面设计的疲劳寿命 (通常被称之为早期裂缝) ,一些现场钻芯取样试件 可以看出 ,早期裂缝通常是从沥青混合料面层开始出现的[10 ] 。 目前世界各国沥青路面设计方法所采用的设计准则 ,大多是控制结合料底层的拉应变以防止疲劳开 裂以及控制地基 (路面) 顶面的压应变以防止永久变形 ,但都没有制定出专门的指标以限制沥青面层的早 期开裂 。用现有圆形均布垂向荷载下的多层弹性体系理论计算和设计路面结构时 ,往往认为结构层的最 大拉应变出现在结构层的底部并只验算结构层底部的拉应变 ,即没有证明出各结构层的最大拉应变就是 出现在各自的底部也不能解释路面早期开裂的成因 。因此 ,研究路面早期开裂的成因 ,制定出控制早期 开裂的设计准则 ,推荐延缓或消除早期开裂的对策 ,具有重要的现实意义 。
摘要 :分析目前我国公路的轴载特性 ,并通过三维有限元的计算手段 ,分析了考虑更接近实际的荷载非均匀分
布时 ,路面结构内的力学响应 。通过分析发现 ,考虑更接近实际轮载对沥青路面的作用 ,对更深入地了解沥青
路面结构的力学行为至关重要 。
关 键 词 :轴载特性 ;沥青路面 ;非均匀分布 ;有限元 ;力学响应
为了确保轮胎与地面间的摩擦系数 ,发挥制动 、驱动和侧偏等力学特性 ,但也同时由于它的存在使得轮胎 的接地面积和接地压力更复杂化 。
3 轮胎接地压力特性
3. 1 轮胎接地压力的实际分布特性 汽车的荷载是通过轮胎的胎面向路面传递的 ,因此对轮胎与路面接触面上荷载分布的合理描述是正
确分析路面结构力学响应的基础 。而轴重 、轮胎及胎压的变化又使得轮胎的接地压力形状和分布进一步 复杂 。传统的路面力学计算采用圆形均布荷载来表征车辆对路面的作用方式 ,实际上这是对接地压力分 布的一种十分初级的近似 ,当需要详细分析接触面附近路面的力学响应时 ,根据圆形均布的荷载假设计 算出的结果将会有很大的误差 。实际上轮胎接地面积不会是圆形的 ,接地压力也不会均匀[9 ] 。但在大量 的实测资料上 ,一般可以总结出以下描述轮胎接地压力的基本结论 :
中图分类号 :U416. 217 文献标识码 :A
文章编号 :1672 - 0032 (2004) 02 - 0043 - 05
1 我国目前公路上的车辆轴载特性
随着我国国民经济的飞速发展 ,行使车辆的轴载特性发生了很大的变化 ,主要表现在以下 2 个方面 : 1) 超载现象十分突出 车辆荷载的作用是影响路面使用寿命的关键因素之一 ,它一般以车辆 (单车或组合车) 总重 、各轴型 (单轴 、双轴或三轴) 的轴重 、各轮组 (单轮或双轮) 的轮重表征[1 ] 。在包括我国在内的一些发展中国家 ,车 辆超载现象十分普遍 。实际调查资料表明[1～7 ] ,我国很多地区超载车的比例超过了 50 % ,有的地区高达 70 %～100 % ,标准轴重约 5 t 的中型货车实际载货量经常超过 10 t ,所调查的最大超载率 [ (实际载货量 - 额载) / 额载 ]为 275 % ;标准轴重 10 t 的重型货车单后轴轴重达 16 t 以上的现象并非鲜见 ,某些改装车 的后轴重甚至高达 20～30 t ,最大超载率也达到了 200 %。 2) 公路交通组成中重载车辆比例很高 湖南境内 107 国道某段的实测调查结果表明[5 ] ,车辆总重 10 t 以上的重型卡车占整个交通量的 63. 0 % ,其中轴重 10 t 以上的车辆占 45. 6 % ;河南某干线公路 1992～1996 年轴重调查结果显示[4 ] ,车辆 总重 10 t 以上的重型卡车占整个交通量的 75 % ;文献 [ 6 ]调查的轴重比例也显示 ,后轴重超过 10 t 的货 车比例占了整个货车流量的 82 % ,而后轴重超过 13 t 的货车也达到了 56 %。所有的这些调查数据表明 , 重载车的交通流量在国内的各个省市公路干线交通量中所占的比例是非常高的 ,而且呈逐渐增加的趋 势 。根据交通年鉴提供的资料 ,我国公路上的货物流量 ,平均每年以 5 %左右的速度增长 。
有限元数值分析方法的出现为路面的结构分析提供了一个有力的工具 ,所有出现的这些问题都可以 通过有限元方法逐步得到解决 ,包括材料的非线性 、非均布轮载甚至面层裂缝的产生 、发展和传播的机理
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这里选取黄河 J N150 重型货车进行计算 。该车型的相关指标 :轮胎尺寸 293 mm ×1 085 mm ;单轮额 定载荷 25. 4 kN ,相应标准胎压 0. 63 M Pa ,双轮最小间距 346 mm 。其他的计算参数见表 1 。
表 1 计算参数
轮载作用尺寸 B ×L / mm ×mm
路面结构采用 6 层结构体系 ,各层的材料性能指标及厚度如图 3 所示 。 4. 2. 4 有限元的计算模型
根据上面的计算数据 ,可以进行三维有限元的分析 。分析软件采用通用的有限元计算程序 。计算模 型如图 4 所示 。依据垂直应力及接地尺寸的特性 ,分析范围 X , Y , Z 向各为 2. 5 m ,2. 5 m ,4. 0 m ,计算采
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源自文库
山东交通学院学报 J OURANL OF SHANDON G JLAO TON G UN IV ERSIT Y
Vol. 12 No . 2 J un. 2004
我国公路车辆轴载特性对沥青路面的影响分析
郑景轩1 ,蒋 勇2 ,胡小弟3
(1. 中国城市规划设计研究院 深圳分院 ,广东 深圳 518048 ;2. 襄樊市建设工程质量监督站 ,湖北 襄樊 441003 ; 3. 华中科技大学 土木工程与力学学院 ,湖北 武汉 430074)
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用 8 结点等参元 。边界条件假设为 :底面上没有 Z 方向位移 , 左右两面没有 X 方向位移 , 前后两侧没有 Y 方向位移 ,层间完全连续 。计算取最大弯沉值 、轮隙中心弯沉值 、整个路面的最大剪应力峰值及各层 底拉应力值进行分析 。为了便于比较 ,同时计算了各车型在额定荷载作用下弯沉的理论解 。
国内外有文 献 资 料 对 一 些 型 号 的 轮 胎 进 行 了 自 由 滚 动 状 态 下 印 痕 内 的 垂 直 应 力 分 布 的 测 试 实 验[8～10 ] ,从中可以得出一些轮胎作用于路面的应力分布的近似规律 :1) 轮胎在额定负荷及胎压时 ,作用 面内的竖向力在胎面宽度及长度方向变化不太明显 ,两个方向都近似均匀分布 ;2) 在超荷情形下 ,胎压不 变时 ,或胎压不足 ,荷载一定时 ,作用面内的竖向力在胎面宽度方向的分布情况发生改变 ,基本的变化趋 势是在胎冠中心 ,随载荷增加 ,作用力变化趋势不太明显 ,而在两侧胎肩处 ,作用力却逐渐增加 ,呈现出较 明显的凹形 ,但在长度方向作用力的变化趋势相对平稳 ;3) 在低荷载情形下 ,胎压不变时 ,或在胎压过量 , 荷载相对较小时 ,作用面内的竖向力在轮胎宽度方向是在胎冠中心 ,其大小比胎肩处要高 ,呈现明显的凸 形 ,而在长度方向 ,力的分布也有不均匀变化的趋势 。
等等 。但有限元法也有一定的局限性 :它只能对具体结构和参数进行计算分析 ,无法直接用显式表示各 变量之间的定量关系式 ,对不同的问题 ,需要重新生成输入信息 ,因而对用户的要求较高 。 4. 2 三维有限元应用的实例分析
即使利用有限元的分析工具 ,也需要一定的假设与简化 。这里将荷载作用面积近似为矩形 ;因轮胎 胎面的花纹存在 ,使得实际的有效接地面积比印痕内的总接地面积小 ,存在一个折减量 ,在进行力学分析 计算时 ,分别考虑了作用面积的不折减与折减两种情况 ,并将其反映到接地长度或宽度上 。折减量均取 75 % ,进行折减时轮胎的整个作用面尺寸是不变的 ,且为了便于有限元计算时单元的划分 ,将折减形式简 化为如图 1 所示 (阴影部分表示荷载作用位置) 。 4. 2. 1 接地压力分布形式
压应力 p/ MPa
面积不折减时
面积折减时
相应圆形均布作用半径 r/ mm
均布
0. 42
均布
0. 84
233. 0 ×173. 04
凸型
0. 56
凸型
1. 12
113. 28
凹型
0. 56
凹型
1. 12
注 :压应力 p 值在实际计算时对非均匀分布要乘以相应的系数 。 4. 2. 3 计算用路面结构
为了便于计算 ,本文将轮载作用于路面的压应力分布形式进行了一些必要的简化 。如图 2 所示 , 作 用压应力 p 在轮胎宽度方向为均布 、凹型 、凸型 3 种形式 ,对凸 、凹型分布 , 其 p 值 、0. 75 p 值 、0. 5 p 值的 分别占分布宽度的 1/ 3 ,且对称于轮胎的宽度中心 , 在行车方向作用力的大小是均匀不变的 。当考虑接 地宽度的折减时非均匀分布的轮载作用力仍保持沿轮胎中心线的对称 。 4. 2. 2 计算车型及其参数
此外 ,随着生产技术水平的提高 ,荷载作用于路面的传递物 ———轮胎的特性也发生了很多改变 ,轮胎 特性的改变也直接影响到荷载作用于路面的分布形状和量值大小 。
轮胎的变化之一就是以子午线轮胎代替斜交轮胎 。从与路面接触的作用力方面来 ,子午线轮胎相对 斜交轮胎具有径向变形大 ,与地面的接触面积比较大 ,对地面的压强比较小的特点 。轮胎的变化之二是 扁平化 ,扁平化轮胎的滚动阻力小 ,且由于接地面积的增加 ,接地部分的压力被分散 ,使得荷载作用于路
2 轮胎及胎压的变化特性
轴重的增加导致轮胎胎压的相应提高 ,轮胎胎压的变化直接影响到轮载作用于路面的压力分布 。南 非的统计资料显示[8 ] ,在 20 世纪 70 年代中期到 90 年代中期 ,平均胎压值从约 620 kPa 增加到 733 kPa , 大约增加了 18 % ;而在我国 ,据有关调查资料[6 ] ,货车轮胎胎压超过 1. 0 M Pa 的已经很常见 。
收稿日期 :2004 - 04 - 13 作者简介 :郑景轩 (1971 - ) ,男 ,湖北浠水人 ,中国城市规划设计研究院工程师.
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面的压力特性发生改变 。轮胎的变化之三就是轮胎表面花纹的不断变化 ,虽然在胎面上刻制花纹主要是