溫度和荷載耦合作用下瀝青路面力學(xué)性能分析

張志剛

(河北省高速公路京秦管理處，秦皇島066001)

瀝青路面具有成本低，易維修等特點，然而路面在建成后由于外界環(huán)境的影響往往會出現(xiàn)裂縫、車轍、沉陷等病害.瀝青路面設(shè)計時只將交通荷載作用下的路面整體彎沉和層底拉應(yīng)力作為設(shè)計指標(biāo)，并未考慮外界環(huán)境條件對路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響［1］.路面長期暴露在自然環(huán)境下，在不斷變化的環(huán)境溫度下，路面內(nèi)部產(chǎn)生溫度應(yīng)力，故路面必然會受到外界環(huán)境的影響［2］.為完善路面設(shè)計時的設(shè)計指標(biāo)，選取了承德地區(qū)的SMA(Stone Mastic Asphalt)路面進行研究，外界條件選為冬季最不利的天氣，利用有限元ANSYS軟件分析SMA瀝青路面在外界溫度和車輪荷載耦合作用下的彎拉應(yīng)力，探討環(huán)境溫度對路面內(nèi)部彎拉應(yīng)力的影響，為今后路面設(shè)計提供依據(jù).

1 路面模型及材料參數(shù)

路面結(jié)構(gòu)為3 cmSMA－13上面層+7 cmAC－25下面層+20 cm水泥穩(wěn)定碎石基層+18 cm砂礫墊層+土基.在對路面進行熱力學(xué)分析時做如下假設(shè):各層是連續(xù)的、均勻的、各向同性的;同一時刻路面同一水平面上各點的溫度相等;層間溫度和熱流連續(xù);假定導(dǎo)熱系數(shù)、溫縮系數(shù)不隨溫度變化取為常量;在路面足夠深度處溫度為常量.路面各層材料參數(shù)如表1所示.

表1 材料參數(shù)

建立的模型是三維模型，選取的模型尺寸為長6 m，寬3 m，厚度6 m的瀝青路面模型，各結(jié)構(gòu)層間完全連續(xù)，熱分析時的單元類型選為 solid70和plane55，模型的約束條件是平行于行車方向(X軸)的面有X方向的約束，垂直于行車方向(Y軸)的面有Y方向的約束，路面底面采用完全固定約束，如圖1所示.

圖1 路面模型

2 溫度應(yīng)力分析

2.1 溫度場

通過搜集氣候資料得知:土基溫度不隨外界氣溫變化，土基溫度為13.6℃，最不利環(huán)境選為冬季氣溫最低并且降溫幅度最大的一天，最高氣溫－3℃，最低氣溫－20℃，路表24 h的溫度見圖2.

圖2 路表溫度

通過ANSYS分析得出路面溫度和深度的關(guān)系圖(見圖3)，可以看出隨著路面深度的增加，溫度在逐漸降低，并且溫度變化的幅度也在逐漸變小，說明隨深度增加外界環(huán)境對路面的影響作用在減小，當(dāng)路面達到一定深度時溫度幾乎不隨外界氣溫變化.

圖3 溫度－深度分布

2.2 溫度應(yīng)力

一天內(nèi)外界溫度在不斷地升降變化，使得路面內(nèi)部的應(yīng)力場也在發(fā)生變化，圖4和圖5分別為外界環(huán)境升溫和降溫2個典型時刻的彎拉應(yīng)力分布圖，可以看出在外界溫度場的作用下路面各層的溫度應(yīng)力在發(fā)生變化，上午6:00面層受到拉應(yīng)力，而到了下午16:00面層卻受到壓應(yīng)力，說明外界環(huán)境溫度對路面結(jié)構(gòu)的受力狀況影響很大.

為了更加直觀分析路面在外界溫度作用下彎拉應(yīng)力的變化，利用有限元軟件得出24 h各層溫度應(yīng)力的變化曲線(見圖6).由圖6可知，路面內(nèi)部的應(yīng)力隨時間在不斷變化，面層的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力交替出現(xiàn)，應(yīng)力的變化幅度較大;基層一直為拉應(yīng)力，數(shù)值幾乎為常量，不隨時間變化.

3 車輪靜載應(yīng)力分析

圖4 上午6:00溫度應(yīng)力云圖

圖5 下午16:00溫度應(yīng)力云圖

圖6 1天內(nèi)路面應(yīng)力變化

車輪荷載為BZZ－100標(biāo)準荷載，輪壓0.7 MPa，車輪與路面的接觸面為18.9 cm×18.9 cm的正方形，雙輪中心距32.0 cm.圖7為路面在車輪靜載作用下的應(yīng)力分布圖，可以看出接觸面正下方區(qū)域的應(yīng)力較大.圖8為水平方向路面各點的應(yīng)力分布情況，可知輪胎與路面接觸面中心點的壓應(yīng)力最大，路面邊緣的壓應(yīng)力最小.圖9為深度方向路面各點的應(yīng)力分布情況，整個面層在靜載作用下受到壓應(yīng)力，隨著面層深度增加壓應(yīng)力在逐漸減小.在基層中部－基層底部各點受到拉應(yīng)力，并且在基層底部附近拉應(yīng)力達到最大.

圖7 車輪靜載作用下的應(yīng)力云圖

圖8 水平方向應(yīng)力分布

圖9 深度方向應(yīng)力分布

4 耦合作用下路面的應(yīng)力分析

路面暴露在自然條件下，瀝青路面實際的受力狀態(tài)為車輪荷載和溫度荷載組成的耦合力，因此為了更好地模擬路面結(jié)構(gòu)的受力，有必要對該耦合力進行研究，以分析實際狀態(tài)下路面的受力狀況.圖10和圖11為路面不同深度各點的應(yīng)力分布圖，可以看出不同時刻路面應(yīng)力分布差別較大，并且接觸面下方區(qū)域和路面邊緣區(qū)域的應(yīng)力差別很大.

圖10 耦合作用下6:00路面應(yīng)力分布

圖11 耦合作用下16:00路面應(yīng)力分布

圖12、圖13表明:在車輪靜載單獨作用下路面表面受到不隨時間變化的壓應(yīng)力，而在溫度和車輪荷載耦合作用下路表應(yīng)力是隨著時間在變化的，大體以正弦函數(shù)的趨勢在變化，說明外界氣溫對路面的受力狀態(tài)影響很大.在同一時刻，耦合作用下路面邊緣和接觸面中心點的應(yīng)力狀態(tài)差別較大，路表接觸面中心點一直處于壓應(yīng)力狀態(tài)，而路面邊緣點的應(yīng)力隨時間在變化，拉壓應(yīng)力交替出現(xiàn)，說明對于路表應(yīng)力而言，接觸面附近區(qū)域的應(yīng)力受到車輪靜載的影響較大，而路面邊緣區(qū)域的應(yīng)力則受到溫度應(yīng)力的影響較大.

圖12 路表車輪中心點的應(yīng)力

圖13 路表邊緣點的應(yīng)力

圖14和圖15為靜載單獨作用和耦合作用下面層底部各點的應(yīng)力，可以看出面層應(yīng)力也在以正弦函數(shù)趨勢變化，面層表面各點拉壓應(yīng)力在交替變化，這就容易導(dǎo)致面層出現(xiàn)疲勞破壞.面層底部上午6:00達到最大拉應(yīng)力，下午16:00達到最大壓應(yīng)力，最大壓應(yīng)力是溫度荷載和車輪荷載綜合作用下產(chǎn)生的，兩者引起的壓應(yīng)力相差不多，而面層的最大拉應(yīng)力是溫度變化單獨引起的.因此，面層設(shè)計時要考慮溫度荷載，要求外界溫度引起的最大拉應(yīng)力要小于層底允許拉應(yīng)力.

圖14 面層底部中心點應(yīng)力

圖15 面層底部路面邊緣點應(yīng)力

基層底部在車輪荷載和耦合作用下都表現(xiàn)為拉應(yīng)力(見圖16和圖17)，耦合作用下基層底部的拉應(yīng)力隨時間變化，但變化幅度不大，基層底部最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在接觸面中心點下方對應(yīng)的位置，車輪荷載引起的拉應(yīng)力約為最大拉應(yīng)力的45%，溫度場引起的拉應(yīng)力約為最大拉應(yīng)力的55%，說明溫度場對基層拉應(yīng)力的影響要大于車輪靜載，因此在季凍區(qū)路面基層設(shè)計時，要充分考慮由于溫度荷載引起的拉應(yīng)力.

圖16 基層底部中心點應(yīng)力

圖17 基層底部路面邊緣點應(yīng)力

溫度和荷載耦合作用下，路面各層的應(yīng)力是隨時間變化的，并且同一層不同位置的應(yīng)力也是在變化的，圖18和圖19為接觸面中心點和路面邊緣點在4個典型時刻下的耦合應(yīng)力，對比2幅圖可知，面層邊緣的拉應(yīng)力大于接觸面中心點下方的拉應(yīng)力，面層邊緣的壓應(yīng)力小于接觸面中心點的壓應(yīng)力，基層邊緣的拉應(yīng)力小于基層接觸面下方中心點的拉應(yīng)力.因此，耦合作用下面層的最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在路面邊緣，而基層最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在接觸面中心點正下方位置.

圖18 耦合作用下各結(jié)構(gòu)層中心點應(yīng)力

圖19 耦合作用下各層邊緣點應(yīng)力

圖20表明:耦合作用下各層最大應(yīng)力都要大于靜載作用下的最大應(yīng)力，面層最大的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力出現(xiàn)在路表，路表最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在接觸面中心點下方，與車輪靜載引起的壓應(yīng)力相比，增加了0.565 MPa;路表最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在路面邊緣，是由外界溫度場引起的，因此在冬季，路表會受到溫度場作用而長期處于拉應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致面層容易開裂.耦合作用下基層底部最大拉應(yīng)力和車輪靜載引起的拉應(yīng)力相比增加0.15 MPa，并且冬季基層一直處于拉應(yīng)力狀態(tài)，使得半剛性基層產(chǎn)生縮裂.

圖20 耦合作用下各層最大應(yīng)力

5 結(jié)論

通過對外界環(huán)境溫度對路面應(yīng)力狀態(tài)的理論分析，利用ANSYS軟件計算出了在溫度和車輪荷載耦合作用下SMA瀝青路面各層的彎拉應(yīng)力.隨著外界溫度的變化，路面內(nèi)部會產(chǎn)生彎拉應(yīng)力，溫度應(yīng)力隨時間呈正弦曲線的形式在變化.耦合作用下面層一半時間處于受拉狀態(tài)，基層一直處于受拉狀態(tài)，容易導(dǎo)致路面疲勞開裂.耦合作用下面層最大的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力出現(xiàn)在路表，和車輪荷載單獨作用相比，最大壓應(yīng)力增幅77.3%;基層底部最大拉應(yīng)力和車輪靜載單獨作用相比增幅110.2%.所以研究路面溫度對路面應(yīng)力的影響，可為提高道路的安全性提出一種研究思路.

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