舊水泥混凝土板加鋪瀝青罩面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析

楊 剛,薛忠軍,張肖寧

(1.廣州市公路管理局工程研究所;2.華南理工大學(xué))

瀝青加鋪層路面結(jié)構(gòu)(“白加黑”工程)主要由舊水泥路面板結(jié)構(gòu)、夾層、瀝青面層等結(jié)構(gòu)層組成,瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性同時受外因如車輛荷載、溫度、氣候、水文地質(zhì)條件等和內(nèi)因如瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)本身各組成部分特性的影響。這些結(jié)構(gòu)層特性直接關(guān)系到瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要問題,將直接影響瀝青加鋪層使用性能。

1 分析模型

1.1 模型建立

為使分析模型更符合瀝青加鋪層實際受力狀況,結(jié)構(gòu)模型設(shè)計進行了如下假設(shè):(1)加鋪前后的路面結(jié)構(gòu)均質(zhì)、連續(xù)、各向同性;(2)各結(jié)構(gòu)層間完全接觸;(3)加鋪層表面自由;(4)舊水泥路面接縫尖端已到達夾層底部;(5)舊路經(jīng)過有效處理,不存在脫空板和傳荷能力差的板。根據(jù)彈性層狀體系理論進行計算,確定取4.5m×10.005m×3.3m作為計算模型,橫縫寬度 0.5cm,橫向貫穿舊水泥路面。模型選用三維八節(jié)點SOLID單元,靠近荷載作用位置和接縫位置的單元劃分比較密,遠離荷載位置、板邊緣位置的單元劃分較稀疏(如圖 1)。接縫間的荷載傳遞能力通過設(shè)置剪切彈簧來模擬,采用一維CONBIN14單元,只允許其有剪切方向自由度。

1.2 荷載分析

(1)靜態(tài)作用荷載分析

行車模型采用的是黃河JN-100標準車型(后軸重100kN,輪壓0.7MPa,雙輪中心距32cm,輪距182cm)。為便于分析計算,輪胎與路面的接觸面理想化為 18.9cm× 18.9cm的正方形,如圖 1。最不利載位如圖 2。

圖1 BZZ-100標準車型

(2)動態(tài)作用荷載分析

汽車在行駛過程中,對路面產(chǎn)生垂直方向振動作用和瞬間沖擊作用,以及水平方向推擠作用。由于瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)的粘彈塑性性質(zhì),荷載作用時間不同,路面結(jié)構(gòu)所表現(xiàn)出的力學(xué)性質(zhì)是完全不同。

圖2 加鋪層中最不利荷載位置

板體變形的瞬態(tài)動力學(xué)求解的基本運動方程見式(1)為節(jié)點速度矢量;{ü}為節(jié)點加速度矢量。

結(jié)構(gòu)阻尼矩陣

式中:α,β是與結(jié)構(gòu)固有頻率和阻尼比相關(guān)的常系數(shù),可以由任意兩個振型的固有頻率和相應(yīng)的阻尼比來確定。本研究中采用模態(tài)疊加法,將從模態(tài)分析中得到各個振型分別乘以系數(shù)后疊加起來以計算動力學(xué)響應(yīng)。動態(tài)分析模型荷載亦采用黃河 JN-100標準車型(軸重 100kN,輪壓0.7MPa),受力接觸面積 357.21cm2,計算時所取的速度為72km/h,即荷載作用的時間為 0.01s,荷載行駛路線為最不利荷載位置如圖 3所示的荷載作用中心。

2 瀝青加鋪層的應(yīng)力分析結(jié)果

瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)基本參數(shù)采用如表 1,對瀝青面層厚度分別為4cm、4.5cm、6cm、8cm、10cm、12cm、14cm、16cm、18cm、20cm的加鋪層進行應(yīng)力分析。瀝青罩面加鋪層結(jié)構(gòu)層內(nèi)應(yīng)力影響的計算結(jié)果見圖 3～圖 5。

表1 結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)

圖3 最大剪應(yīng)力變化曲線圖

圖4 最大主應(yīng)力變化曲線圖

圖5 等效應(yīng)力變化曲線圖

根據(jù)上述結(jié)果及圖表分析可知:最大剪應(yīng)力結(jié)果中,面層剪應(yīng)力的波動范圍為 0.295～0.357MPa,變化值為0.062MPa;舊水泥混凝土板的波動范圍為0.270～0.604MPa,變化值為0.334MPa;夾層波動范圍為0.623～1.300MPa,變化值為0.677MPa。最大主應(yīng)力結(jié)果中,面層剪應(yīng)力的波動范圍為0.668～0.820MPa,變化值為0.152MPa;舊水泥混凝土板的波動范圍為0.953～1.490MPa,變化值為0.537MPa;夾層波動范圍為1.160～2.220MPa,變化值為1.06MPa。等效應(yīng)力結(jié)果中,面層剪應(yīng)力的波動范圍為 0.544～0.654MPa,變化值為0.11MPa;舊水泥混凝土板的波動范圍為1.10～2.04MPa,變化值為0.94MPa;夾層波動范圍為1.170～2.390MPa,變化值為1.22MPa。

3 結(jié) 論

根據(jù)應(yīng)力分析的數(shù)據(jù)結(jié)果以及有關(guān)分析,可有以下結(jié)論。

(1)面層中等效應(yīng)力、最大剪應(yīng)力隨著面層厚度的增加先減小后增大,第一主應(yīng)力隨著厚度增加減小,但三種應(yīng)力值的變化區(qū)域均較窄。因此,單純增加面層的厚度來減少反射裂縫效果并不明顯,而且面層標高變化太大,附屬設(shè)施和沿線構(gòu)筑物的標高都要進行相應(yīng)的變化。另外,在際工程中從投資的角度看,單純增加面層的厚度也不是一種合理的設(shè)計應(yīng)用方法。

(2)三個層位產(chǎn)生的應(yīng)力水平差異很大,其中的夾層結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的最大主應(yīng)力﹑最大剪應(yīng)力﹑等效應(yīng)力等三種應(yīng)力平均水平和變化范圍均較大,說明在舊水泥板上加鋪瀝青面層結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)是夾層的結(jié)構(gòu),需要對夾層結(jié)構(gòu)和材料進行專門設(shè)計。

(3)在“白加黑”舊路加鋪瀝青層的設(shè)計過程中,應(yīng)充分重視結(jié)構(gòu)層之間的結(jié)構(gòu)構(gòu)造要求,應(yīng)想方設(shè)法地加強舊水泥混凝土板與應(yīng)力夾層以及應(yīng)力夾層與瀝青面層之間的層間結(jié)合力,力使實際結(jié)構(gòu)與理論設(shè)計保持一致。

[1] A.R.Burt.SurfaceCracking.HighwayandTransportation,1987,34 (8):16～19.

[2] M.E.Nunn.AnInvestigationofCrackinginCompositePavements.ProceedingsoftheConferenceonReflectiveCrackingin Pavements,1989,(3):146～153.

[3] KathleenT.Hall,CarlosE.Correa,AmyL.Simpson.PerformanceofFlexiblePavementRehabilitationTreatmentsintheLTPP SPS-5Experiment.82thAnnualMeetingoftheTransportation ResearchBoard,Washington,D.C,2003:1～20.

[4] 劉朝暉,沙慶林.超薄層瀝青混凝土SAC-10礦料級配比較試驗研究[J].中國公路學(xué)報,2005,18(1):7～15.

[5] 沙慶林.高速公路瀝青路面早期破壞現(xiàn)象及防治[M].北京:人民交通出版社,2001,204～205.