车辆静荷载作用下沥青路面力学响应分析

车辆静荷载作用下沥青路面力学响应分析

发表时间：2019-05-22T16:56:02.993Z 来源：《防护工程》2019年第3期作者：林井权

[导读] 半刚性基层沥青路面是现在沥青路面的主要形式之一。我国现行路面设计方法采用竖向静荷载下弹性多层体系理论，本文采用Ansys10.0建立静载模型的形式，来探讨在竖向静载作用下路面的受力变形特性。

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摘要：半刚性基层沥青路面是现在沥青路面的主要形式之一。我国现行路面设计方法采用竖向静荷载下弹性多层体系理论，本文采用Ansys10.0建立静载模型的形式，来探讨在竖向静载作用下路面的受力变形特性。结论表明：路面结构的变形主要由上面层承担，其余各层竖向位移较小。底基层层底为该类结构最不利受力层位。

摘要：刚性基层，静载，有限元

Analysis of Asphalt Pavement Response under Static Loading

NUCLEAR INDUSTRY SOUTHWEST SURVEY&DESIGN INSTITUTE CO., LTD LIN Jing-quan Abstract:Semi-rigid asphalt pavement is one of the main structure forms of asphalt pavement at present. Nowadays layered elastic theory with vertical dead load applied to elastic multi-layer system is used. The large-scale finite element analysis software Ansys10.0 is used to build the static load pavement model, in order to discuss the stress of the pavement under vertical static load characteristics. The results showed that: Deformation of the pavement structure is mainly composed of upper slab that the rest of the each layer of the vertical displacement is smaller. The bottom of subgrade is the largest stress location.

Key words: semi-rigid base; vertical static load; finite element

引言：

随着我国国民经济的迅速发展，公路修建里程也在不断增加，加之车辆的不断增多，路面因行车荷载的作用而引起的破坏已是路面破坏的主要形式之一。虽然目前越来越多的研究开始偏重于行驶中的车辆即动载对路面的影响。但我国现行路面设计方法仍采用竖向静荷载下弹性多层体系理论，且在收费站、停车场、飞机场路面主要承受静载的作用。研究静载对路面的影响仍然具有很大的意义。鉴于此，本文采用大型有限元分析软件Ansys10.0建立静载路面模型，研究路面受力变形特性。

1弹性理论体系基本假设

由不同材料组成的路面结构受荷载的作用，结构将产生变形。虽然应力随时间变化而变化，且卸载后有部分变形不能恢复。但是变形量小，且对于厚度较大、高强度的高等级路面来说，将路面视作线性弹性体，应用弹性层状体系理论分析是合适的。假设如下：（1）路面材料是均匀的，各项同性的。完全连续的线弹性材料。

（2）土基在水平方向与向下的深度方向均无限大，其上面各层厚度有限，水平方向无限大。（3）各层在水平方向无限远处及最下一层无限深处，应力、变形和位移均为零。

（4）层间接触应力和位移连续，或层间仅竖向应力和位移连续，无摩阻力。

（5）不计自重。

2行车荷载的选择

实际轮胎作用在路面上的形状和垂直压力是很复杂，并非多层弹性理论体系中的圆形均布荷载。据大量实验，轮胎形状接近矩形。为便于建立模型，对其进行简化，简化为矩形。

按照面积等效的原理将轮胎作用于地面形状进一步简化为正方形即车轮与路面接触面为189mm189mm的正方形，接触面积为35633。计算荷载采用沥青路面现行设计中的标准双轮轴载100KN，轮胎压强0.7MPa。双轮中心距为28.9cm，荷载作用于路面中心。 3静力学有限元模型建立

通常路面结构可视为半无限弹性多层体系，但在有限元的计算中，土基只能取为有限尺寸。路面模型的尺寸（X、Y、Z）为8m7.5m6m。

有限元模型单元采用八节点的SOLID 45 单元，模型采用布尔命令保证层间完全连续。

网格划分时采用映射网格划分方式，具体划分格网后的路面静载模型见图1。

5力学响应分析

5.1竖向荷载

（1）竖向位移分布云图

图3 结构在静载条件下竖向位移变化图 1图2为半刚性路面在静载条件下的竖向位移分布云图。由该图可知，在所计算的道路三维实体范围内，结构在静载条件下竖向位移以轮载中心为峰值向四周以同心圆形式递减，并在路表形成一个过渡和缓的弯沉盆，即在单圆荷载中心处路表的竖向位移达到最大，离轮载作用处越远，竖向位移值衰减得越快。

2图3结构在静载条件下竖向位移变化图，对称荷载作用下的竖向位移变形也是对称的，以轮隙中心为对称轴。各结构层来看，上面层变形量大，往下各层变形逐渐减小，虽然还是以单圆荷载中心处变形最大，但从总体上看，各点变形值相差不大。可见路表最容易产生压密变形。

5.2弯拉应力分布

(1) 层底弯拉应力变化图

图 5 结构在静载条件下剪应力分布云图

(2) 结果分析

①为了更全面地反映轮载作用处剪应力的分布情况，在剪应力分布云图中采用三个窗口加以显示，其中窗口1 为路面结构整体剪应力分布图，窗口2 为轮载作用平面(路表平面)的分布显示，窗口3 为路表平面单圆荷载中心处的放大云图。 2在所建的路面三维模型范围内，在静荷载形式的作用下，以轮载作用矩形面积的四个对角(外侧)为起始点，在路表形成两个形如树叶的反对称的分布区域，其中，图中红色部分为路表剪应力低受剪区(剪应力为负值且较小)，蓝色部分为路表剪应力高受剪区(剪应力为正值且相对较大)。由分布图可发现，在模型外侧，除了单轮荷载中心处的分布特征较为突出外，其余各处均处于较低的剪应力水平下，可见在

所建路面模型的尺寸边缘及更远处，车辆的荷载效应已经较不明显。

③在静载作用下，路表高受剪区域明显大于低受剪区。

结论：

①路表最容易产生压密变形，在表、中、底三层沥青混凝土的力学性质和压实度均相同的情况下,表面层产生的压密形变最大,底面层产生的压密形变最小，亦即路面结构的变形主要由路表承担，其余各层竖向位移较小。

②各结构层结合部为主要应力集中区。对于半刚性路面而言，底基层层底为该类结构最不利受力层位。

参考文献：

[1]JTG D50-2006,公路沥青路面设计规范[S].北京:人民交通出版社,2006

[2]邓琼,张淳.动载作用下半刚性路面垂直动力响应三维有限元模拟[J].公路工程:2008,33(3):68-71

[3]胡小弟,孙立军.轻型货车轮胎接地压力分布实测[J].公路交通科技,2005,22(8):1-7