杜順成,李 丹
(建筑工程學(xué)院 西安工業(yè)大學(xué),陜西 西安 710021)
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公路坡度變化對(duì)瀝青路面層間應(yīng)力的影響
杜順成,李丹
(建筑工程學(xué)院 西安工業(yè)大學(xué),陜西 西安710021)
摘要:由于低速行駛路段車輛行駛特性等各種原因,導(dǎo)致瀝青路面低速行駛路段(長(zhǎng)大上坡路段)更容易產(chǎn)生車轍變形等病害。采用ABAQUS有限元軟件,分析了在靜力狀態(tài)下低速行駛路段,坡度變化對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)層的影響,通過分析對(duì)比坡度由0%~5%變化時(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線、應(yīng)力應(yīng)變的大小及變化趨勢(shì),從而得到在靜力狀態(tài)下坡度變化對(duì)路面層間應(yīng)力的影響。
關(guān)鍵詞:低速行駛路段;ABAQUS有限元分析;坡度;路面層間應(yīng)力
1靜力分析
1.1基本參數(shù)分析
(1)長(zhǎng)大上坡路段車輛行駛特性
通過對(duì)山區(qū)高速公路車輛行駛狀態(tài)的調(diào)查與試驗(yàn)研究分析,得出如下結(jié)論。
①重型車輛上坡時(shí),是個(gè)明顯減速的過程,在坡長(zhǎng)相同條件下,從平均增幅來看,坡度越大速度減小的平均幅度也越大,即隨著坡度的增加,減速的幅度呈增大趨勢(shì);下坡時(shí),隨著坡度的增加,運(yùn)行的速度則有明顯的增大趨勢(shì),當(dāng)坡度為3%~4%時(shí)加速幅度最明顯,而超過4%時(shí)加速幅度反而有所減小,可能是因駕駛員受到坡度增大的心理影響,適當(dāng)?shù)牟扇×酥苿?dòng)措施。
②在坡度一定的情況下,當(dāng)坡長(zhǎng)到一定數(shù)值的時(shí),重型車輛上坡時(shí),從坡底到坡中的減速幅度往往大于從坡中到坡頂?shù)臏p速幅度;下坡時(shí),從坡頂?shù)狡轮械脑鏊俜纫笥趶钠轮械狡碌自龇?。由此可見,重型車輛一般會(huì)在較短的縱坡運(yùn)行過程中達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的運(yùn)行速度,此后坡長(zhǎng)對(duì)車輛運(yùn)行狀態(tài)的影響將減小。
(2)長(zhǎng)大上坡路段車輛受力分析
車輛在公路上坡路段行駛時(shí),受到驅(qū)動(dòng)力和各種阻力的共同作用,其中阻力包括空氣阻力、道路阻力和慣性阻力,而道路阻力又可分為滾動(dòng)阻力和坡度阻力。因此,汽車在行駛過程中,驅(qū)動(dòng)力必須克服各種行駛阻力,即滿足汽車行駛的驅(qū)動(dòng)平衡方程式
T=Rw+Rf+Ri+RI
式中:T為驅(qū)動(dòng)力即汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在驅(qū)動(dòng)輪上產(chǎn)生的牽引力,N;Rw為汽車行駛過程中的空氣阻力,N;Rf為汽車行駛中的滾動(dòng)阻力,N;Ri為坡度產(chǎn)生的坡度阻力,N;RI為車輛的慣性阻力,N。
2有限元模型
2.1路面結(jié)構(gòu)層及相應(yīng)基本參數(shù)
研究依托工程為呼殺高速公路,分析時(shí)以該高速公路路面結(jié)構(gòu)為分析對(duì)象,該高速路面結(jié)構(gòu)與各結(jié)構(gòu)層參數(shù)見表1、表2。
表1 路面結(jié)構(gòu)層組成
表2 各結(jié)構(gòu)層的參數(shù)
2.2蠕變參數(shù)
在ABAQUS建模時(shí),面層選用擴(kuò)展的Drucker Prager模型,其參數(shù)設(shè)置為:剪切準(zhǔn)則為線性,流動(dòng)勢(shì)偏心率為0.1,摩擦角為0°,流應(yīng)力比為1,膨脹角為0°;相應(yīng)的蠕變法則為Drucker Prager時(shí)間蠕變法則,面層各層相應(yīng)的蠕變模型參數(shù)由蠕變?cè)囼?yàn)擬合得到,詳見表3;硬化法則采用Drucker Prager時(shí)間硬化法則。
表3 各面層的時(shí)間蠕變法則參數(shù)
2.3模型的建立
靜力分析模型采用長(zhǎng)×寬×高=10 m×5 m×5 m的模型;基準(zhǔn)模型選取德魯克普拉格模型下的瀝青參數(shù);縱坡為0%;層間為完全連續(xù)。
邊界條件:模型左右兩側(cè)約束x向水平位移,前后兩側(cè)約束z方向水平位移,模型底部為土基采用完全固定約束。
網(wǎng)格劃分:荷載作用區(qū)域加密網(wǎng)格采用0.01 m×0.01 m×0.01 m的網(wǎng)格尺寸,其它面層部位采用0.02 m×0.02 m×0.02 m的網(wǎng)格尺寸,基層與底基層采用0.05 m×0.05 m×0.05 m的網(wǎng)格尺寸,土基與墊層采用0.1 m×0.1 m×0.1 m的網(wǎng)格尺寸;采用的單元類型為三維六面體八結(jié)點(diǎn)線性減縮積分等參單元(C3D8R)。
3坡度變化對(duì)層間應(yīng)力的影響
本文主要研究對(duì)象是長(zhǎng)大上坡路段的受力特性,坡度的改變必然會(huì)對(duì)路面結(jié)構(gòu)層的受力帶來影響。本節(jié)討論靜力狀態(tài)下坡度變化對(duì)路面結(jié)構(gòu)層的影響。
采用控制變量的方法,選取基準(zhǔn)模型,模型溫度場(chǎng)為20 ℃,層間完全連續(xù),坡度由0%~5%變化。后文所述的線性條件指的是不考慮粘彈性(材料參數(shù)設(shè)置時(shí)只設(shè)置彈性參數(shù)),非線性條件則是考慮粘彈性(材料參數(shù)設(shè)置時(shí)增加粘彈性參數(shù))。
3.1壓應(yīng)力變化
各層壓應(yīng)力隨坡度變化曲線圖和計(jì)算結(jié)果分析為了更直觀的展現(xiàn)各層壓應(yīng)力隨坡度變化的規(guī)律,以三個(gè)面層的為代表,做其曲線圖如圖1。
(1)由圖1可知,無論是否考慮粘彈性,各路面結(jié)構(gòu)層的壓應(yīng)力均隨坡度的增長(zhǎng)而相應(yīng)的減小,并且基本是按照線性趨勢(shì)減小的;從數(shù)值上看減小幅度是較小的,以上面層上表面的最大壓應(yīng)力為例,坡度從0%~5%,不考慮粘彈性時(shí)只減小了0.06%,考慮粘彈性時(shí)也只減小了0.09%。可見坡度的改變對(duì)各結(jié)構(gòu)層最大壓應(yīng)力的影響不大。
圖1 上面層、中面層、下面層的壓應(yīng)力隨坡度變化的曲線圖
(2)在同一層位,考慮粘彈性條件時(shí)的最大壓應(yīng)力比不考慮粘彈性的大,以3%坡度的上面層上表面為例,考慮粘彈性時(shí)最大壓應(yīng)力比不考慮粘彈性時(shí)增大了9%,并且隨著結(jié)構(gòu)層距離路面表面垂直距離越大,該層考慮粘彈性時(shí)最大壓應(yīng)力比不考慮粘彈性時(shí)增加的量逐漸減小。
(3)由模型數(shù)據(jù)可知,坡度的增長(zhǎng)對(duì)各層壓應(yīng)力的影響程度基本是相同的。
(4)從云圖上看,無論是否考慮粘彈性,最大壓應(yīng)力均出現(xiàn)在上面層上表面,并且壓應(yīng)力的大小隨著該層距離受力區(qū)域的垂直距離的增長(zhǎng)而不斷減小。
3.2拉應(yīng)力變化
各層拉應(yīng)力隨坡度變化曲線圖和計(jì)算結(jié)果分析如下。
為了更直觀的展現(xiàn)拉應(yīng)力隨坡度變化規(guī)律,以三個(gè)面層的為代表,做其曲線圖如圖2。
(1)由曲線圖Ⅲ可知,在每一層位,最大拉應(yīng)力均隨坡度的增大而增大;不考慮粘彈性時(shí),開始時(shí)增大趨勢(shì)較小,后期增大趨勢(shì)變大;考慮粘彈性時(shí),基本是呈線性增長(zhǎng)的。
(2)可以非常直觀的從曲線圖中看出,同一結(jié)構(gòu)層的上表面最大拉應(yīng)力大于下表面最大拉應(yīng)力;每一層位,考慮粘彈性條件下的最大拉應(yīng)力均大于不考慮粘彈性的最大拉應(yīng)力。
圖2 上面層、中面層、下面層拉應(yīng)力隨坡度變化的曲線圖
(3)由模型數(shù)據(jù)可知,無論是否考慮粘彈性,最大拉應(yīng)力均出現(xiàn)在中面層上表面,并且此后隨著距離路面表層垂直距離的增大,最大拉應(yīng)力是不斷減小的。
(4)以中面層上表面為例,從數(shù)值上看,坡度從0%~5%,不考慮粘彈性時(shí),最大拉應(yīng)力增大了3%;考慮粘彈性時(shí),最大拉應(yīng)力增大了2%??梢娖露鹊母淖儗?duì)路面結(jié)構(gòu)層拉應(yīng)力的影響比較小,但要高于對(duì)壓應(yīng)力的影響。
(5)從對(duì)拉應(yīng)力影響角度看,隨著各結(jié)構(gòu)層距離路面表面垂直距離的增加,各層受坡度變化的影響程度基本上是不變的。
3.3剪應(yīng)力變化
由力學(xué)知識(shí)可知,水平層面剪應(yīng)力由兩部分組成,需要進(jìn)行力學(xué)合成,后面剪應(yīng)力都是這樣處理的。
各層剪應(yīng)力隨坡度變化曲線圖和計(jì)算結(jié)果分析如下。
為了更直觀的展現(xiàn)剪應(yīng)力隨坡度變化的規(guī)律,以三個(gè)面層的為代表,其曲線圖如圖4。
圖3 上面層、中面層、下面層剪應(yīng)力隨坡度變化曲線圖
(1)由圖Ⅳ可以直觀的得出,每一層位,無論是否考慮粘彈性,剪應(yīng)力均隨坡度的增加而增加。由模型數(shù)據(jù)可知,無論是否考慮粘彈性,最大剪應(yīng)力均出現(xiàn)在中面層上表面,并且此后隨著距離路面表層垂直距離的增大,剪應(yīng)力是不斷減小的。
(2)在每一層位,考慮粘彈性條件時(shí)最大剪應(yīng)力均比不考慮粘彈性的大(以3%坡度的中面層上表面為例,考慮粘彈性時(shí)最大剪應(yīng)力比不考慮粘彈性時(shí)增大了16%)。
(3)每一結(jié)構(gòu)層的層表剪應(yīng)力均大于該層層底的剪應(yīng)力,例如3%坡度的中面層,不考慮粘彈性時(shí)上表面為0.230 MPa,大于下表面的0.177 MPa;考慮粘彈性時(shí)上表面為0.267 MPa,大于下表面的0.232 MPa。
(4)由模型計(jì)算數(shù)據(jù)可知,無論是否考慮粘彈性時(shí),坡度的變化對(duì)不同結(jié)構(gòu)層的影響是不同的,主要對(duì)面層部位的影響最大,其中又以中面層為最,其次為上面層,最后為下面層;對(duì)基層、底基層以及土基的影響是很小的。
(5)以中面層上表面為例,從數(shù)值上看,坡度從0%~5%,不考慮粘彈性時(shí),最大剪應(yīng)力增大了22%;考慮粘彈性時(shí)增大了25%??梢娖露鹊母淖儗?duì)路面結(jié)構(gòu)層最大剪應(yīng)力的影響比較大,要高于對(duì)最大壓應(yīng)力與最大拉應(yīng)力的影響。
4結(jié)論
對(duì)比分析不同坡度下的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D、應(yīng)力應(yīng)變的大小及變化趨勢(shì),可得出如下結(jié)論:
(1)無論是哪個(gè)坡度,路面結(jié)構(gòu)層受力狀況的最不利狀態(tài)都要考慮粘彈性的影響;
(2)各層應(yīng)力隨坡度的改變而改變,當(dāng)坡度由0%~5%變化時(shí),各層的應(yīng)力變化不同,其中最大壓應(yīng)力是逐漸減小的,而最大拉應(yīng)力和最大剪應(yīng)力是逐漸增大的;
(3)從變化幅度上看,以中面層上表面為例,壓應(yīng)力減小了0.1%,拉應(yīng)力增大了2%,剪應(yīng)力增大了25%,可見坡度的改變對(duì)剪應(yīng)力的影響程度最大。
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收稿日期:2015-11-05
作者簡(jiǎn)介:杜順成(1978-),男,副教授,博士,研究方向:路面工程。
中圖分類號(hào):U412
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:C
文章編號(hào):1008-3383(2016)06-0006-03