沥青加铺层参数对路面结构力学影响

厚度
在温度变化幅度相同的情况下， 铺设不同厚度的沥青加铺层在路面结构 层中产生的温度梯度会发生变化，继而 影响结构层对温度变化的应力响应。为 分析沥青加铺层厚度对其温度应力的影
响，面层厚度按2cm的增量从6cm变化 到20cm。计算参数取为：沥青加铺层 表面降温-10℃；贫混凝土面板厚度为 20cm，模量为20000MPa；基础当量 模量120MPa。
结构的离散化 位移模式选择 单元的力学特性分析
建立结构的总体平衡方程 求解未知节点位移和计算单元应力 根据集合起来的平衡方程组的具 体特点，选择合适的计算方法，解出未 知位移。 有限元方法可以分析桥面铺装体 系的局部应力状态，在众多有限元分析 软件中，美国的大型通用有限元软件 ANSYS具有强大的后处理、智能网格 划分等功能，在各种工程领域得到广泛 的应用和认可。该有限元软件能满足本 研究对路面结构受力影响分析的需要。
沥青加铺层参数对路面结构力学影响
分析
文/孙军超
贫混凝土基层的沥青路面结构综合 了沥青混凝土路面和水泥混凝土 路面的优点，具有承载力高、路面柔 顺、易维修等特点。路面使用时，由于 贫混凝土良好的整体性和优良的抗冲刷 性，产生沉陷、唧浆以及坑槽等病害的 可能性大大降低，从而减少维修和养护 费用，提高路面服务水平。因此，贫混 凝土基层沥青路面能较好适应目前大交 通量和重载交通的发展趋势，具有广阔 的应用前景。
沥青加铺层路面结构各层材料的 弹性模量、泊松比，采用规范推荐的数 值进行有限元分析。各结构层主要参数 如表1所示。 荷载作用位置
行车荷载采用标准轴载BZZ-100， 轮胎内压0.7MPa，单个轮压作用范围 18.9cm ×18.9cm，轮胎接地面积为 357.21cm2，双轮间距为32cm，两侧 轮隙间距为182cm。经过不同荷位计算 分析比较，车轮荷载作用在接缝一侧的 偏荷载对加铺层最为不利，因此在计算 时仅考虑对称轴上的单侧荷载作用，计 算点位为接缝区中点。
温度应力影响分析
沥青加铺层模量
沥青加铺层的模量随着气温的变 化而变化，对于同一沥青混合料而言， 温度高时沥青混合料的模量低，温度低 时，沥青混合料的模量高。不同模量的 沥青混合料在温度变化时产生的应力响
2012年第13期 (7月上) 《交通世界》 269
A沥青技术 SPHALT TECHNOLOGY
由图2与图3可以看出，在未铺设 应力吸收层的情况下，随着沥青面层 模量的增加，接缝处沥青面层最大主 应力σ1、等效应力σe及最大剪应力 τmax逐渐减小。当沥青加铺层模量 从600MPa增加到2200MPa时，σ1、 σe、及τmax分别减小了35%、34%、 36%。这有可能是沥青加铺层模量的增 大，有效的减小了贫混凝土板的翘曲变 形，从而使得接缝处沥青面层的σ1、 σe及τmax值有所ห้องสมุดไป่ตู้小。在铺设了应力 吸收层以后，由于应力吸收层的模量 小，能有效吸收贫混凝土板收缩和翘曲 对沥青面层所产生的应力作用，此时沥 青加铺层的温缩应力起主要作用，接 缝处沥青加铺层的受力有很大改善： 在面层模量均为1200MPa时，σ1、σe 及τmax分别为未铺设应力吸收层时的 23%、26%、25%。但随着沥青加铺层 模量增大，沥青加铺层温缩产生的温度 应力变大，应力值随沥青加铺层模量的 增大而略有增大。
贫混凝土基层刚度较大，具有较 强的温缩与干缩特性，受到来自底基层 （或垫层）、自重和相邻板的约束，容 易产生开裂。在温度与荷载综合作用 下，裂缝逐渐向面层延伸，甚至贯通整 个沥青面层。因此在贫混凝土基层沥青 路面结构中，最重要的问题是沥青加铺 层反射裂缝的防治，本文通过典型贫混 凝土基层沥青路面，分析沥青加铺层参 数对路面结构受力影响。
由 图 4 得 知 ， 最 大 主 应 力 σ 1、 等效应力σe及最大剪应力τmax随面 层厚度的增加呈变小的趋势。在未铺 设应力吸收层的情况下，当面层厚度 从 6 c m 增 加 到 2 0 c m 时 ， σ 1、 σ e及 τ max曲 线 下 降 速 率 很 快 ， 分 别 减 少 了79%、74%、75%，说明增加沥 青加铺层的厚度对减小温度应力起了 很大作用。与在荷载应力作用下类似 的是，在沥青加铺层厚度超过18cm 以后，接缝处沥青加铺层层底的应力 随沥青加铺层厚度的增加变化不太 明显。沥青面层厚度为20cm时，其 σ1、σe及τmax值分别只比18cm 时 减小了10%、9.4%、9.8%。图5显 示,在铺设了应力吸收层的情况下， σ1、σe及τmax几乎呈线性递减，且 应力水平几乎为未铺设应力吸收层情 况的四分之一。因此，对于贫混凝土 基层沥青路面，在寒冷地区或温差较 大的地区，应特别注意温度应力带来 的不利影响，沥青加铺层应具有足够 的厚度才能有效地抵抗温度应力的影 响；但沥青面层过厚对减小底部应力 作用不大。
线膨胀系 数（1/℃） 2.1×10-5 2.1×10-5 1.0×10-5 0.5×10-5
应不同，为分析沥青加铺层模量的变化 对沥青面层温度应力的影响程度，降温 幅度设为-10℃，采用不同模量的沥青 混合料进行温度应力计算，沥青加铺层 模量Ea从600MPa增加到2200MPa， 面层厚度取10cm，贫混凝土厚度取 20cm，模量20000MPa，地基模量 120Mpa，计算结果如图2、图3。
计算模型概述
计算假设 各结构层为均匀、连续、各向同
性的弹性体； 各层层间水平位移和竖向位移完
全连续； 基础底面固定，基础侧面约束其
法向位移； 基础以上各层边界自由； 接缝宽度为1cm，且接缝无传荷
能力 不计结构自重影响。
模型尺寸 本文采用的模型尺寸为旧水泥混
图1 计算模型
凝土路面板长5m，板宽4m，板厚度22 cm，接缝宽度为1cm。加铺层结构的 模型如图1所示。 材料参数
表1 各结构层计算参数
结构层
板块平面尺寸 长×宽（m）
沥青加铺层
10.01×4
应力吸收层
10.01×4
贫混凝土基层 5×4
基础
12.01×6
层厚 （cm） 6~20 2 22 400
弹性模量 （MPa） 600~2200 200 28000 100
泊松比
0.25 0.25 0.15 0.35
导热系数 （w/m℃） 1.2 1.2 1.5 1.0
计算模型及计算参数
有限元法简介
有限元方法，是一种用于求解微 分方程组或积分方程组数值解的数值技 术。这一解法基于完全消除微分方程， 即将微分方程转化为代数方程组（稳定 情形）；或将偏微分方程（组）改写为 常微分方程（组）的逼近，这样可以用 标准的数值技术（例如欧拉法，龙格库塔方法等）进行求解。有限元分析过 程，概括起来可以分为以下五个步骤：