剛性基層復(fù)合式路面層間剪應(yīng)力分析

康寶龍 安玖臻 張長浩

(長安大學(xué)理學(xué)院，陜西西安 710064)

0 引言

復(fù)合式路面是一種在連續(xù)配筋水泥混凝土路面(CRCP)上加鋪瀝青混合料面層(AC)的一種路面結(jié)構(gòu)。連續(xù)配筋混凝土板做基層，具有強(qiáng)度高、經(jīng)久耐用、養(yǎng)護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。在水泥混凝土上加鋪瀝青層后，可以提高路面承載力，改善路面的使用性能和表面性能，使得路面平整不反光。但AC+CRCP復(fù)合式路面在使用過程中，由于在行車荷載水平力的作用下，如果瀝青混合料面層與CRCP層間界面抗剪強(qiáng)度不足，就會使瀝青混合料面層在粘合面上發(fā)生剪切位移，嚴(yán)重時形成壅包、開裂和車轍等早期病害［1］。因此，本文通過有限元分析方法，建立三維實(shí)體模型對層間剪應(yīng)力進(jìn)行分析，研究其力學(xué)行為及影響因素。

1 選取計(jì)算模型

由于解析法建立模型非常困難，即使建立模型，求得解析解相對來說比較困難，而數(shù)值方法是對微分方程的近似解答求解相對容易。因此，本文采用ANSYS有限元軟件進(jìn)行分析。

模型選用Solid65單元、Pipe16單元、Combin14單元和Solid45四種實(shí)體單元［2］進(jìn)行模擬分析。該模型考慮了鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)滑移作用［3］，滑移本構(gòu)取線性模型。模型選用長方形來模擬實(shí)際路面，不考慮地基的作用。模型的邊界條件為：在縱向沒有位移，CRCP板底面完全約束，AC層與CRCP層完全連續(xù)。本文的加載方式為矩形均布荷載，輪載壓強(qiáng)為0.7 MPa，作用面積為0.15 m×0.15 m，雙層結(jié)構(gòu)，上層為100 mm瀝青面層，E=1 200 MPa， u=0.35，下層為260 mm連續(xù)配筋混凝土基層，E=30 GPa，u= 0.15。建立的實(shí)際模型見圖1。

圖1 剛性基層復(fù)合式路面有限元模型

為了確定計(jì)算模型的板的尺寸，做了不同尺寸板試算，結(jié)果表明，僅當(dāng)選用邊長較小的板時，計(jì)算結(jié)果偏小達(dá)不到精度要求。若選用較大尺寸，比較耗費(fèi)計(jì)算空間，因此確定模型的尺寸為6 m× 4.5 m，長邊為行車方向。

2 計(jì)算參數(shù)分析

2.1 瀝青層厚度的影響

在不改變其他參數(shù)的情況下，單獨(dú)改變?yōu)r青層的攤鋪厚度，通過計(jì)算來了解AC厚度對剪應(yīng)力的影響，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 不同瀝青層厚度下的層間應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

從圖1中可以看出，隨著瀝青層厚度的增加，層間最大剪應(yīng)力逐漸減小。瀝青層從6 cm增加到8 cm時，最大剪應(yīng)力減小了10.9%，層底拉應(yīng)力減小了17.0%;從20 cm增加到22 cm時，最大剪應(yīng)力減小了9.3%，層底拉應(yīng)力減小了3.3%。由此可見，隨著AC層厚度的增加，層間最大剪應(yīng)力的變化幅度逐漸減小;瀝青層層底拉應(yīng)力也隨著瀝青層厚度的增加而逐漸減小，當(dāng)瀝青層厚度超過16 cm后，影響逐漸減弱。

2.2 瀝青層彈性模量的影響

瀝青是典型的粘彈塑性材料，對于溫度變化相對水泥混凝土較為敏感，溫度對瀝青混合料彈性模量的影響很大，所以有必要在不同模量下分析層間剪應(yīng)力的變化。計(jì)算結(jié)果見圖2，其中H為瀝青層厚度。

圖2 層間最大剪應(yīng)力與瀝青層模量關(guān)系曲線

計(jì)算結(jié)果表明，層間最大剪應(yīng)力隨著瀝青層模量的增大而減小，當(dāng)模量小于3 000 MPa時，這種變化趨勢較為緩慢。當(dāng)路面溫度升高，面層模量減小導(dǎo)致層間剪應(yīng)力增大，但變化量小于0.004 MPa，對路面結(jié)構(gòu)和CRCP的影響微弱。

2.3 荷載作用位置的影響

車輛在行駛過程中，車輪位置在路面的分布具有隨機(jī)性，層間最大剪應(yīng)力也會隨著車輛在不同位置加速、轉(zhuǎn)彎和剎車而具有隨機(jī)性。因此，針對不同的荷載作用位置進(jìn)行分析是很有必要的。

研究結(jié)果表明，層間剪應(yīng)力與車輛的行駛狀態(tài)有很大關(guān)系，車輛下坡緊急剎車或下坡急轉(zhuǎn)彎情形下的層間最大剪應(yīng)力是正常行駛狀態(tài)下的3.4倍左右［4］，在本次加載中考慮水平力的影響，選取水平力系數(shù)fx=0.5，即水平力為垂直荷載的0.5倍。

分析時采用標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100，輪胎內(nèi)壓為0.7 MPa，單個輪壓作用范圍18.9 cm×18.9 cm，雙輪間距32 cm，兩側(cè)輪系間距182 cm。作用位置選取為：

1縱縫邊緣中部，2橫縫邊緣中部，3板角，4板中部。分析結(jié)果見表2。

表2 不同荷位下層間應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 MPa

計(jì)算結(jié)果表明：當(dāng)荷載作用于板角時，層間剪應(yīng)力最大，相應(yīng)的主應(yīng)力也最大，作用于橫縫中部時的層間應(yīng)力相對較小，縱縫中央次之，板中部最小。這也解釋了在汽車剎車時，板角和橫縫容易發(fā)生破壞。

3 結(jié)語

使用ANSYS有限元分析軟件，分析了連續(xù)配筋復(fù)合式路面在不同位置的荷載作用下，層間最大剪應(yīng)力以及主應(yīng)力，分析了瀝青面層厚度和在溫度影響下面層模量對層間剪應(yīng)力的影響，得出以下結(jié)論：

1)車輛荷載的作用位置對層間最大剪應(yīng)力的出現(xiàn)位置及大小均有顯著影響，荷載作用于板角時，層間剪應(yīng)力及主應(yīng)力均有最大值，建議施工過程中加強(qiáng)處理，防止沖斷破壞;2)瀝青面層的厚度對層間剪應(yīng)力也有較大影響，施工中嚴(yán)格控制瀝青混合料攤鋪厚度，在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下盡可能的做到經(jīng)濟(jì)合理;3)瀝青面層的模量對層間最大剪應(yīng)力影響較小。

［1］ 黃 衛(wèi)，錢振東.高等瀝青路面設(shè)計(jì)理論與方法［M］.北京：科學(xué)出版社，2001.

［2］ 周永磊.寒冷地區(qū)連續(xù)配筋混凝土路面溫度應(yīng)力分析和配筋設(shè)計(jì)［D］.長春：吉林大學(xué)，2006.

［3］ 曹東偉.連續(xù)配筋混凝土路面結(jié)構(gòu)研究［D］.西安：長安大學(xué)博士學(xué)位論文，2001.

［4］ 岳 鵬，田小波.剛?cè)釓?fù)合式路面粘結(jié)層剪應(yīng)力有限元分析［J］.交通標(biāo)準(zhǔn)化，2010(12)：63-67.