基于動(dòng)荷載仿真的路面結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

侯靜

（天津城建大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300384）

基于動(dòng)荷載仿真的路面結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

侯靜

（天津城建大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300384）

針對(duì)貨車(chē)動(dòng)荷載作用下路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)及路面設(shè)計(jì)指標(biāo)變化規(guī)律，應(yīng)用ABAQUS有限元軟件建立相應(yīng)三維路面結(jié)構(gòu)模型及動(dòng)荷載模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的可靠性，對(duì)路表彎沉和各結(jié)構(gòu)層層底應(yīng)力情況進(jìn)行計(jì)算，分析不同車(chē)速、平整度和路面結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響，得到車(chē)速、平整度和路面結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)路面力學(xué)響應(yīng)的影響規(guī)律，可以為路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和道路施工養(yǎng)護(hù)提供理論指導(dǎo)．

動(dòng)荷載；平整度；動(dòng)態(tài)模擬；有限元

近年來(lái)，隨著國(guó)家高等級(jí)道路和經(jīng)濟(jì)貨運(yùn)流通的快速發(fā)展，出現(xiàn)越來(lái)越多高速、密集、超載車(chē)輛，加大了對(duì)路面結(jié)構(gòu)損傷程度，嚴(yán)重影響行車(chē)舒適性，使道路提前進(jìn)入保養(yǎng)修護(hù)，導(dǎo)致整條道路甚至整個(gè)路網(wǎng)運(yùn)行效率低下，造成不良社會(huì)影響和經(jīng)濟(jì)損失．基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)貨車(chē)動(dòng)荷載作用下路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)及路面設(shè)計(jì)指標(biāo)變化規(guī)律進(jìn)行有限元模擬分析，可以更好模擬實(shí)際道路受力情況，為路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和道路施工養(yǎng)護(hù)提供理論指導(dǎo)．筆者采用多層彈性路面結(jié)構(gòu)，建立了相應(yīng)的車(chē)輛動(dòng)荷載模型和路面結(jié)構(gòu)模型，并對(duì)路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行了模擬研究．

1 動(dòng)荷載有限元模擬

1.1 荷載模型及參數(shù)

采用連續(xù)的半波正弦曲線作為動(dòng)力加載函數(shù)來(lái)模擬實(shí)際汽車(chē)荷載，其表達(dá)式為：

式中：P0為車(chē)輛靜載，取車(chē)輛單邊輪載，單位kN；P為振動(dòng)荷載幅值，，M0為車(chē)輛模型簧下質(zhì)量，為振動(dòng)圓頻率，， 為車(chē)速，L為路面幾何曲線波長(zhǎng)，為路面幾何不平順失高（按國(guó)際高速公路平整度指數(shù)取值）．滿載30 t（超載42 t）三軸貨車(chē)其具體荷載計(jì)算參數(shù)如表1[1-2]．

1.2 路面結(jié)構(gòu)模型及參數(shù)

基于彈性層狀體系理論，對(duì)滄州市典型省道路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析，試驗(yàn)道路采用瀝青混凝土道路模型，其尺寸分別為長(zhǎng)（Z方向）8m、寬（X方向）8m、高（Y方向）5m；車(chē)速取現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)車(chē)輛所測(cè)實(shí)際車(chē)輛的速度；單側(cè)雙輪輪胎當(dāng)量接觸面積為0.24m2，輪胎接地壓力為0.7 MPa；平整度為現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)實(shí)際道路平整度值15mm/3m，路面結(jié)構(gòu)和相應(yīng)材料參數(shù)如表2[3-4]（車(chē)輛動(dòng)荷載作用下路面結(jié)構(gòu)層材料模量變化較小，故采用靜態(tài)彈性模量，取值采用同類路面結(jié)構(gòu)材料試驗(yàn)測(cè)值），建立的有限元路面結(jié)構(gòu)模型如圖1所示．

表1 荷載計(jì)算參數(shù)Tab.1 Load calculation parameter table

圖1 路面結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Pavementstructuremodel

表2 路面結(jié)構(gòu)材料參數(shù)Tab．2 Pavementstructurematerialparameters

2 路面結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

2.1 不同車(chē)速下的路面結(jié)構(gòu)響應(yīng)

分別計(jì)算不同行車(chē)速度下路表彎沉最大值和基層層底拉應(yīng)力最大值的變化情況，如圖2、圖3所示．

圖2 不同車(chē)速下路表彎沉Fig.2 Deflection changesunder differentspeeds

圖3 不同車(chē)速下層底拉應(yīng)力Fig.3 Stressunder Differentspeeds

由圖2可以看到在較低速度時(shí)，路表彎沉值隨車(chē)速增長(zhǎng)而降低，隨著速度繼續(xù)增大時(shí)，彎沉相應(yīng)增加，但增大到一定程度后就基本保持平穩(wěn)起伏，沒(méi)有太大的增減變化，相對(duì)于低速時(shí)的表現(xiàn)要穩(wěn)定得多．

由圖3可以得隨著車(chē)速的增加盡管低速時(shí)拉應(yīng)力有一些起伏，從整體來(lái)說(shuō)還是減小的，但減小的幅度較小，只有10.1%．主要原因是在較平順道路上，汽車(chē)行駛所產(chǎn)生的沖擊作用處于較低水平上，盡管動(dòng)荷載隨著速度增加有相應(yīng)的變化，對(duì)面層應(yīng)力作用較顯著，但對(duì)基層處應(yīng)力變化作用較小，即在較平整道路上車(chē)輛行駛速度對(duì)基層底拉應(yīng)力的影響作用不大[5]．

2.2 不同平整度下的路面結(jié)構(gòu)響應(yīng)

平整度等級(jí)選取平整度u為2mm、5mm、15mm、20mm、40mm、80mm，計(jì)算一定車(chē)輛行駛速度（40 km/h）下的路表最大彎沉值和基層層底最大拉應(yīng)力值如圖4、圖5所示．

由圖4可以看到路表彎沉隨著道路平整度的增大而變大，基本呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，但其增長(zhǎng)的幅度較大，前后增長(zhǎng)了320%．主要原因在于路面平整度差時(shí)會(huì)增加車(chē)輛對(duì)路面的沖擊作用和與路面相互作用的振動(dòng)接觸次數(shù)，進(jìn)而對(duì)路面的彎沉作用會(huì)更大，所以保持較平順的道路平整度對(duì)于車(chē)輛對(duì)道路損傷破壞作用至關(guān)重要，故道路平整度是一個(gè)需要高度重視的影響因素．

由圖5可以看到基層底最大拉應(yīng)力隨著平整度值增大逐漸增大，且增長(zhǎng)幅度較大，在u=80 mm時(shí)較u=2mm時(shí)拉應(yīng)力增長(zhǎng)了66.6%，可見(jiàn)平整度的大小對(duì)基層底拉應(yīng)力值有很大的影響作用，保持道路的平順可以有效地降低道路基層結(jié)構(gòu)損傷破壞．

圖4 不同平整度下路表彎沉Fig.4 Deflection under different flatnessvariation

圖5 不同平整度下層底拉應(yīng)力Fig.5 Stressunder different flatness

3 路面結(jié)構(gòu)參數(shù)影響分析

3.1 各結(jié)構(gòu)層厚度變化分析

對(duì)表2路面結(jié)構(gòu)材料參數(shù)中各結(jié)構(gòu)層厚度依次進(jìn)行改變，每次都只改變一層的厚度，其他層厚度和其他材料參數(shù)保持不變，且每層結(jié)構(gòu)都會(huì)由大到小線性原則改變3種厚度，具體的厚度設(shè)置參照表3所示，然后分別計(jì)算各結(jié)構(gòu)層不同厚度時(shí)的路表最大彎沉和面層、基層底最大拉應(yīng)力值的變化，如表4所示．

表3 厚度取值Tab．3 Thickness values

表4 厚度改變引起的變化Tab．4 Changes caused by thickness variation

通過(guò)表4的計(jì)算數(shù)據(jù)可以看到每一結(jié)構(gòu)層厚度的增加都可以減小路表最大彎沉值，但減小的幅度不一樣，兩層二灰碎石基層對(duì)路表最大彎沉的影響最為明顯，主要是因?yàn)榛鶎硬牧系哪Ａ肯鄬?duì)較大且厚度基數(shù)比較大，所以其厚度的變化對(duì)路表的彎沉影響最大，然而罩面和面層厚度的增加對(duì)降低路表彎沉效果不大，不能作為降低控制路表彎沉的措施，同時(shí)從經(jīng)濟(jì)角度考慮通過(guò)增加上面層厚度的方法來(lái)減小路表彎沉造價(jià)太高，是不經(jīng)濟(jì)的措施，不適宜過(guò)大增加面層結(jié)構(gòu)厚度來(lái)抵抗路表彎沉變形．

對(duì)于面層底最大拉應(yīng)力，雖然增加各結(jié)構(gòu)層厚度都可減小拉應(yīng)力，但改變罩面和瀝青面層厚度效果較明顯，尤其瀝青面層增加自身厚度可以有效降低自身層底最大拉應(yīng)力；對(duì)于基層底最大拉應(yīng)力，增加各層結(jié)構(gòu)厚度都可以減小拉應(yīng)力，但兩層二灰碎石基層厚度的增加對(duì)減小拉應(yīng)力作用最大，同樣也證明了增加本層厚度可以有效減小本層底最大應(yīng)力值[6-7]．

3.2 各結(jié)構(gòu)層彈性模量變化分析

對(duì)表2路面結(jié)構(gòu)材料參數(shù)中各結(jié)構(gòu)層材料彈性模量依次進(jìn)行改變，每次都只改變一層材料的彈性模量，其他層材料彈性模量和參數(shù)保持不變，且每層結(jié)構(gòu)材料彈性模量都會(huì)由大到小按照線性原則改變3種數(shù)值，具體的彈性模量設(shè)置參照表5所示，分別計(jì)算各結(jié)構(gòu)層材料不同模量時(shí)的路表最大彎沉和面層、基層底最大拉應(yīng)力值如表6所示．

通過(guò)表6所示的各結(jié)構(gòu)層材料的模量變化對(duì)路表最大彎沉值和層底最大拉應(yīng)力的影響可以得到，增加各結(jié)構(gòu)層材料的彈性模量都可以減少路表最大彎沉值，其中土基彈性模量對(duì)減少路表彎沉值效果最明顯，主要原因是相對(duì)于路面各層結(jié)構(gòu)厚度來(lái)說(shuō)土基層厚度很大且位于最底層，可以有效的承載擴(kuò)散上部傳來(lái)的彎沉效果；其次是基層材料，雖然可以有效減小路表彎沉，但減小的幅度不大且隨著基層模量增大到一定程度，路表彎沉減少的速度就明顯變慢．可見(jiàn)適當(dāng)?shù)奶岣呗坊鶑椥阅Ａ渴菧p小路表彎沉的最有效辦法．

對(duì)于層底最大拉應(yīng)力：增加罩面材料彈性模量，可以分別減小面層、基層底最大拉應(yīng)力值；增加瀝青面層材料彈性模量，面層底最大拉應(yīng)力增大，基層底最大拉應(yīng)力值減?。辉黾佣宜槭鶎硬牧蠌椥阅Ａ?，面層底最大拉應(yīng)力減小，但幅度不大，基層底最大拉應(yīng)力值增大，特別是達(dá)到1 600MPa時(shí)，基層底拉應(yīng)力增大很快；增大土基彈性模量，面層底和基層底最大拉應(yīng)力均減小．由此可以總結(jié)為路面結(jié)構(gòu)中任一層結(jié)構(gòu)材料彈性模量增加，本層及上層底最大拉應(yīng)力值會(huì)增大，其余層底拉應(yīng)力隨之減?。黾油粱膹椥阅Ａ渴菧p小路表最大彎沉值最有效的措施，同時(shí)各層的最大拉應(yīng)力均有所降低，考慮到土基加固處理的經(jīng)濟(jì)費(fèi)用問(wèn)題，在土基上部適當(dāng)?shù)募庸桃蕴岣咄粱Ａ繉?duì)于提高道路的整體壽命是非常有必要的；同樣的基層材料模量也需要控制在一定范圍內(nèi)，不能太高也不能太低．

表5 彈性模量取值Tab．5 Elastic Modulus

表6 模量改變引起的變化Tab．6 Changes inmodulus

3.3 各結(jié)構(gòu)層泊松比變化分析

同一結(jié)構(gòu)層選用不同泊松比的材料，對(duì)動(dòng)荷載作用下的路面結(jié)構(gòu)響應(yīng)會(huì)有一定的影響，因此需要對(duì)各結(jié)構(gòu)層泊松比變化進(jìn)行分析．對(duì)表2路面結(jié)構(gòu)材料參數(shù)中各結(jié)構(gòu)層泊松比依次進(jìn)行改變，每次都只改變一層的泊松比值，其他層泊松比和其他材料參數(shù)保持不變，且每層結(jié)構(gòu)按照大到小原則改變3種泊松比，具體的泊松比設(shè)置參照表7所示，然后分別計(jì)算各結(jié)構(gòu)層取不同泊松比時(shí)的路表最大彎沉和面層、基層底最大拉應(yīng)力值的變化，如表8所示．

表7 泊松比取值Tab．7 Poisson's value

通過(guò)表8可以看到各結(jié)構(gòu)層材料的泊松比變化都會(huì)對(duì)路表最大彎沉值產(chǎn)生影響，但影響的規(guī)律和幅度不一樣：罩面、面層和土基材料泊松比的增加可以減小路表最大彎沉值，尤其是土基泊松比的增加對(duì)最大彎沉值影響顯著；相反的增加基層材料泊松比會(huì)使路表最大彎沉小幅度增大．

對(duì)于層底最大拉應(yīng)力，增加罩面材料泊松比，面層底和基層底最大拉應(yīng)力都有相應(yīng)的減?。辉黾訛r青面層泊松比，面層底最大拉應(yīng)力有所增加，而基層底最大拉應(yīng)力變化不大；增加基層材料泊松比，面層底和基層底的最大拉應(yīng)力都隨之增加，且基層底拉應(yīng)力增加幅度較大；增加土基泊松比，面層底拉應(yīng)力增加，基層底最大拉應(yīng)力減小，且減小幅度較大．由此可見(jiàn)基層材料泊松比不宜過(guò)大，否則會(huì)導(dǎo)致面層底和基層底拉應(yīng)力過(guò)大，在設(shè)計(jì)時(shí)要嚴(yán)加控制[8-9]．

表8 泊松比改變引起的變化Tab．8 Changes in poisons

4 結(jié)論

1）不同行車(chē)速度下，路表彎沉值表現(xiàn)不一，整體來(lái)說(shuō)處于高速時(shí)路表彎沉值較小且變化平穩(wěn)；不平整度對(duì)路表彎沉影響較大，隨著不平整度值的增大，彎沉值大幅增加，所以保持路面平順是避免道路過(guò)大彎沉量的必要措施．

2）隨著行車(chē)速度的提高，層底拉應(yīng)力保持平穩(wěn)的減小趨勢(shì)；與路表彎沉一樣，不平整度對(duì)層底拉應(yīng)力的影響也很顯著，隨著不平整度值的增大，基層底拉應(yīng)力顯著增大，增幅達(dá)到66.6%，所以保持路面平順對(duì)于減小道路層底拉應(yīng)力也至關(guān)重要，需要高度重視．

3）通過(guò)路面結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對(duì)道路力學(xué)分析可以得到：增加各層厚度都可以有效減少路表最大彎沉和層底最大拉應(yīng)力值，尤其是基層材料厚度的增加效果比較顯著，且從經(jīng)濟(jì)效益方面考慮，適當(dāng)增加基層厚度比增加面層厚度更加經(jīng)濟(jì)有利；增加各層材料的彈性模量都可不同程度的減小路表最大彎沉，但對(duì)層底拉應(yīng)力的影響比較復(fù)雜，綜合考慮通過(guò)提高土基模量來(lái)減少路表彎沉和層底最大拉應(yīng)力是最有效的措施，其次適當(dāng)提高基層材料模量也可以提升道路整體承載抗變形能力；泊松比對(duì)道路力學(xué)影響比較明顯，除了基層材料泊松比會(huì)增加路表彎沉外，罩面、面層和土基泊松比的提高都會(huì)減少路表彎沉，而且增加基層泊松比還會(huì)導(dǎo)致面層底和基層底最大拉應(yīng)力的增大，綜合之后得到結(jié)論土基泊松比可以適當(dāng)提高，對(duì)減少路表彎沉和層底拉應(yīng)力有利，相反要控制基層材料泊松比，防止造成過(guò)大層底拉應(yīng)力和路表彎沉量．

[1]鄧學(xué)鈞，張登良．路基路面工程 [M]．北京：人民交通出版社，2004．

[2]鄧學(xué)鈞，孫璐．車(chē)輛-地面結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué) [M]．北京：人民交通出版社，2000．

[3]蘭輝萍，李德建．高速公路路基的動(dòng)力響應(yīng)分析 [J]．西部探礦工程，2003，15（8）：160-162．

[4]向坤山．動(dòng)載作用下半剛性路面動(dòng)力響應(yīng)的三維有限元模擬 [J]．湖南交通科技，2006，32（3）：53-55．

[5]周長(zhǎng)峰，孫蓓蓓，孫慶鴻．鉸接式自卸車(chē)懸架系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模與仿真 [J]．汽車(chē)技術(shù)，2004，35（9）：15-18．

[6]黃雪嬌，曹源文，李仕峰．基于ADAMS重型半掛車(chē)動(dòng)荷載仿真分析 [J]．重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，31（1）：128-132．

[7]廖公云，黃曉明．ABAQUS有限元軟件在道路工程中的應(yīng)用 [M]．南京：東南大學(xué)出版社，2008．

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[9]JTGD50-2006，公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范 [S]．北京：人民交通出版社，2006．

[責(zé)任編輯 楊 屹]

Pavementstructuralmechanicsbased on the dynamic load simulation

HOU Jing

(Schoolof Civil Engineering,Tianjin Chengjian University,Tianjin 300384,China)

Forpavementresponseand impactanalysisof theproblem under trucksdynam ic load,the corresponding threedimensionalmodelof the pavementstructureand dynam ic loads dynamic simulationmodel with theapplication of ABAQUS finite elementsoftwarewere established.The reliability ofmodelwas verified through the field test;the deflection and layersstress situationsof the roadwascalculated;and parameterson themechanical response of pavementstructure wasanalyzed;The speed,flatness,and road load parameterson pavement responseswere studied so that itcan provide a theoreticalguidance for the pavementdesign and road constructionmaintenance.

dynamic load;flatness;dynam ic simulation;finite element

U416.217

A

1007-2373(2016)01-0114-05

10.14081/j.cnki.hgdxb.2016.01.021

2015-07-06

河北省科技計(jì)劃項(xiàng)目（12217636）

侯靜（1976-），女（漢族），講師．