車輛-溫度荷載耦合作用下的農(nóng)村公路路面結(jié)構(gòu)受力分析

李宏偉，胡安宇，張永平，張洪亮

(1.杭州市公路管理局，杭州 310030；2.長安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，西安 710064)

車輛-溫度荷載耦合作用下的農(nóng)村公路路面結(jié)構(gòu)受力分析

李宏偉1，胡安宇1，張永平1，張洪亮2

(1.杭州市公路管理局，杭州 310030；2.長安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，西安 710064)

為研究農(nóng)村公路在車輛、溫度荷載作用下的受力情況，本文選擇四種農(nóng)村公路典型結(jié)構(gòu)，運用Abaqus有限元軟件分析不同車輛荷載對道路內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響；采用解析法分析溫度荷載下路面受力情況；進(jìn)行車輛-溫度荷載耦合作用下的農(nóng)村公路受力分析，分析農(nóng)村公路典型結(jié)構(gòu)在車輛荷載和溫度作用下的應(yīng)力和應(yīng)變特性。結(jié)果表明：車輛荷載與溫度荷載對路面受力均有貢獻(xiàn)，且溫度荷載對道路基層影響更為突出。

農(nóng)村公路；瀝青路面；車輛荷載；溫度荷載

0 引 言

截止2015年底，我國農(nóng)村公路通車?yán)锍踢_(dá)到395萬公里，占全國公路網(wǎng)的86.4%，但目前農(nóng)村公路均體現(xiàn)出公路技術(shù)等級低、路況差、交通量低等特點。王劍[1]針對山區(qū)農(nóng)村公路的應(yīng)用特點和優(yōu)化措施進(jìn)行了分析、探討。劉壽永[2]根據(jù)農(nóng)村公路特點認(rèn)為強(qiáng)基薄的設(shè)計理念更為合理。美國認(rèn)為在農(nóng)村公路設(shè)計時其現(xiàn)行的干線公路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)不適用于低交通量的農(nóng)村公路，故在AASHTO中提出針對農(nóng)村公路的低交通量設(shè)計方法。南非[3-4]采用雙圓垂直均布荷載(80kN)作用下的彈塑性理論進(jìn)行低交通量道路設(shè)計。印度[5]通過假設(shè)面層不承受荷載作用，并將薄瀝青層作為基層進(jìn)行路面設(shè)計。袁承棟等[6-7]針對江蘇省、湖北省、遼寧省等地建立了農(nóng)村公路典型結(jié)構(gòu)。

雖然學(xué)者對農(nóng)村公路進(jìn)行了相關(guān)研究，但仍有以下不足：首先，農(nóng)村分布在全國各地，幅員遼闊，需針對某一地方進(jìn)行特定的研究；其次，我國現(xiàn)行的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)軸載為100kN，但農(nóng)村中用于生產(chǎn)用的車輛超重嚴(yán)重，嚴(yán)重超出了標(biāo)準(zhǔn)軸載的范疇；再次，農(nóng)村公路路面結(jié)構(gòu)相對于高等級公路較薄，在車輛荷載與溫度荷載耦合作用下的研究較少。因此，本文選擇四種典型的農(nóng)村公路結(jié)構(gòu)，采用有限元軟件分析標(biāo)準(zhǔn)軸載為100kN、150kN、200kN時路面受力的影響；運用解析法計算溫度荷載下路面受力的影響；進(jìn)而進(jìn)行車輛-溫度荷載耦合作用下的路面受力情況分析。

1 廣義荷載分析

1.1 車輛荷載及作用形式

本文對農(nóng)村公路進(jìn)行受力分析時選取100kN、150kN和200 kN三個軸載級。借鑒低交通量道路對輪胎接地面積(cm2)與單個輪胎荷載(N)的調(diào)查結(jié)論，如式(1)所示。計算各級軸載下輪胎的接地面積、接地半徑、接地壓強(qiáng)如表1所示。荷載作用形式如圖1所示。

A=0.0091P+130(R=0.87)

(1)

表1 不同軸載作用下輪胎的接地面積及接地壓強(qiáng)

圖1 荷載作用形式

1.2 溫度荷載

計算溫度荷載之前首先要確定路表的溫度，進(jìn)而確定各層的年溫差。本文通過地表溫度與氣溫的經(jīng)驗公式(2)可計算路表最高與最低溫度的氣溫(如表2所示)。

(2)

表2 氣溫資料

2 有限元建模

2.1 典型路面結(jié)構(gòu)

通過對大量文獻(xiàn)的查閱，得出4種農(nóng)村公路典型路面結(jié)構(gòu)，分別為：1#瀝青混凝土(6cm)+水泥穩(wěn)定碎石(20cm)+石灰土(20cm)+土基；2#瀝青混凝土(6cm)+冷再生水穩(wěn)碎石(18cm)+水泥穩(wěn)定碎石(16cm)+土基；3#瀝青混凝土(4cm)+水泥穩(wěn)定碎石(18cm)+二灰穩(wěn)定碎石(25cm)+土基；瀝青混凝土(6cm)+二灰穩(wěn)定砂礫(25cm)+天然砂礫(20cm)+土基。各結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)如表3所示。

表3 路面結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)表

2.2 模型尺寸

綜合考慮對計算時間和結(jié)果精度的要求，采用6m×6m×3m的道路結(jié)構(gòu)模型，并對道路模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

3 受力分析

3.1 車輛荷載作用下的應(yīng)力分析

對4種路面典型結(jié)構(gòu)的面層層底拉應(yīng)變、路基頂面豎向壓應(yīng)變、基層底部拉應(yīng)力和瀝青層頂面豎向壓應(yīng)力進(jìn)行計算，結(jié)果如表4所示。

表4 車輛荷載作用下受力計算

3.2 溫度荷載作用下的受力分析

(1)溫差分析

根據(jù)溫差模擬函數(shù)(見式(3))計算道路各結(jié)構(gòu)層的溫差。

(3)

式中：P1為路表面的年溫差值，℃；P2為面層底部的年溫差值，℃；P3為基層底部的年溫差值，℃；h為面層厚度，m；g為基層厚度，m；bi為控制溫差隨深度變化速度的因子。

4種典型路面結(jié)構(gòu)路表、基層表面和底基層表面的年溫差如圖2所示，可見不同路面結(jié)構(gòu)基層表面和底基層表面年溫差有一定差別，面層年溫差在60℃左右，基層表面年溫差在42℃左右，底基層表面年溫差在20℃左右。

(2)材料熱特性參數(shù)

道路材料的熱特性參數(shù)如表5所示。

表5 道路材料的熱特性參數(shù)

(3)計算公式

二維彈性層狀體系下溫度應(yīng)力的計算公式如式(4)所示，根據(jù)它對道路進(jìn)行溫度應(yīng)力分析。

(4)

式中：σxi、σyi、τxyi、σzi為第i層沿各個方向的溫度應(yīng)力分量，MPa；αi為第i層的溫縮系數(shù)；Ei為各層的彈性模量，MPa；μ為泊松系數(shù)；Ti為溫差函數(shù)；υx為x、y方向的位移。

(3)計算結(jié)果

根據(jù)以上溫度荷載作用下路面受力計算公式，得到農(nóng)村公路由溫度荷載引起的基層頂部、基層底部拉應(yīng)力和面層頂部、面層底拉應(yīng)力，如圖3所示。由圖3可知，面層頂面產(chǎn)生的溫度應(yīng)力大于面層底面產(chǎn)生的溫度應(yīng)力，基層頂面產(chǎn)生的溫度應(yīng)力大于基層底面產(chǎn)生的溫度應(yīng)力。

圖2 不同路面結(jié)構(gòu)的年溫差變化 圖3 溫度荷載引起的道路結(jié)構(gòu)層內(nèi)部應(yīng)力

3.3 車輛-溫度耦合作用下的受力分析

(1)面層應(yīng)力分析

由有限元模擬車輛荷載對路面結(jié)構(gòu)的影響和理論法解析溫度荷載對路面結(jié)構(gòu)的影響面層，可得到在車輛-溫度荷載耦合作用下4種農(nóng)村公路典型結(jié)構(gòu)面層的受力特點。面層底部最大拉應(yīng)力分別如圖4所示。在相同車輛荷載作用下年溫差越大，面層的拉應(yīng)力越大。而在相同溫度荷載作用下，車輛荷載越大，其面層拉應(yīng)力越小，這是因為車輛荷載對面層產(chǎn)生壓應(yīng)力，車輛荷載越大，產(chǎn)生的壓應(yīng)力越大，從而抵消更多的拉應(yīng)力。因此在車輛荷載和溫度綜合作用下的面層拉應(yīng)力變小。

圖4 車輛-溫度荷載引起面層底部最大拉應(yīng)力

(2)基層應(yīng)力分析

在車輛-溫度荷載耦合作用下4種農(nóng)村公路典型結(jié)構(gòu)基層底部最大綜合拉應(yīng)力如圖5所示，由圖5可知基層底部受力規(guī)律與面層類似。

為確認(rèn)車輛荷載與溫度荷載對道路基層受力的貢獻(xiàn)，不同荷載下溫度應(yīng)力與基層總應(yīng)力比值如圖6所示。從圖6中可以看出：當(dāng)車輛荷載不同時，溫度荷載所貢獻(xiàn)的基層層底拉應(yīng)力比例不同，但是均非常大，因此在路面基層結(jié)構(gòu)設(shè)計時需考慮溫度荷載的影響。

圖5 基層底部最大拉應(yīng)力 圖6 溫度應(yīng)力在基層層底拉應(yīng)力中所占的比例

4 結(jié) 語

針對4種典型農(nóng)村公路結(jié)構(gòu)，本文采用Abaqus有限元軟件分析了車輛荷載下路面結(jié)構(gòu)受力情況，采用解析法計算了溫度荷載下路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部受力情況。最后，對車輛-溫度荷載耦合作用下的路面受力情況進(jìn)行了分析，并得到以下結(jié)論：

(1)在車輛荷載作用下，農(nóng)村公路面層拉應(yīng)力均表現(xiàn)出隨荷載增大而變小，但基礎(chǔ)底部拉應(yīng)力恰好相反。

(2)年溫差對道路內(nèi)部結(jié)構(gòu)作用較大，尤其是對基層層底拉應(yīng)力影響很大，在進(jìn)行道路基層結(jié)構(gòu)層設(shè)計時需要考慮溫度的影響。

(3)溫度荷載對道路基層影響比車輛荷載更為突出，在道路結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)增加基層底部拉應(yīng)力這一指標(biāo)。

[1]肖達(dá)勇,鄭興水,李卓倫，等.淺談農(nóng)村公路路面類型比較及選擇[J].公路交通科技：應(yīng)用技術(shù)版,2015,(4): 55-57.

[2]劉壽永.淺談農(nóng)村公路設(shè)計與施工技術(shù)的應(yīng)用[J].黑龍江交通科技, 2013,(8): 62-63.

[3]Kelly K, Juma S. Environmentally Optimized Design for Low-Volume District Roads in Tanzania[J].Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board,2015,(2472): 40-48.

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[5]Das A, Mohanty S, Reddy K, et al. Analytical Design Criteria for Village Roads in India[J].Transportation Research Record,1999,(1652):76-81.

[6]袁承棟.低交通量道路典型路面結(jié)構(gòu)的研究[D].南京：東南大學(xué)，2005.

[7]陳愛軍,孟亞軍.低交通量農(nóng)村公路水泥混凝土路面典型結(jié)構(gòu)的研究[J].湖南工程學(xué)院學(xué)報: 自然科學(xué)版,2013,23(1): 82-86.

[8]王孫富.瀝青路面結(jié)構(gòu)溫度場與溫度應(yīng)力的數(shù)值模擬分析[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

Mechanical Analysis of Rural Roads Based on Vehicle-temperature Coupling Interaction

LI Hong-wei1,HU An-yu1,ZHANG Yong-ping1, ZHANG Hong-liang2

(1. Hangzhou Highway Administration Bureau，Hangzhou 310030，China;2.Key Laboratory for Special Area Highway Engineering of Ministry of Education, Chang’an University, Xi’an 710064,China)

In order to study the influence on rural roads of vehicle and temperature load, in this paper, four kinds of typical structures of rural roads have been selected. Then the influence of different vehicle loads on typical rural road structure was analyzed using finite element software Abaqus. And the response under different temperature loads was studied through analytical method. At last, the stress and strain of typical rural road structure under vehicle and temperature loads coupling effect was studied. The result indicates that both of vehicle and temperature load have an important effect on the pavement, and can generate stress in the internal of pavement. But the temperature load has a more prominent influence on tensile stress at bottom base layer. Therefore, the index of tensile stress of bottom base layer should be added during the design of rural pavement structure.

rural roads; asphalt pavement; vehicle load; temperature load; stress analysis

2016-10-26

李宏偉(1960-)，男，河南駐馬店人，工程師，E-mail：8736958@qq.com。

U416.01

A

10.3969/j.issn.1671-234X.2016.04.005

1671-234X(2016)04-0025-05