鋼橋面環(huán)氧瀝青鋪裝層動水壓力數(shù)值仿真分析

許靜

(國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局 專利審查協(xié)作江蘇中心，江蘇 蘇州 215163)

鋼橋面環(huán)氧瀝青鋪裝層動水壓力數(shù)值仿真分析

許靜

(國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局 專利審查協(xié)作江蘇中心，江蘇 蘇州 215163)

針對行車荷載下鋪裝層表面動水壓力對鋪裝層的影響，研究鋼橋面環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝水損害現(xiàn)象，量化分析行車荷載下鋼橋面環(huán)氧瀝青鋪裝層的動水壓力。采用有限元軟件ABAQUS建立輪胎-鋼橋面環(huán)氧瀝青鋪裝層模型，獲取流體計算域中輪胎的形狀及尺寸；基于計算流體力學建立鋼橋面正交異性板鋪裝復合有限元模型，采用FLUENT數(shù)值仿真輪胎在有水鋪裝層表面上行駛時產(chǎn)生的動水壓力；分析行車速度、水膜厚度、輪胎花紋深度等因素對動水壓力的影響，得到動水壓力的最不利工況。

環(huán)氧瀝青鋪裝層；動水；壓力

鋼橋面環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝層病害中裂縫類病害最顯著，在行車荷載等因素作用下鋪裝層裂縫的發(fā)生及發(fā)展還會導致其它病害的出現(xiàn)。國內(nèi)外學者通過對鋼橋面環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝層裂縫的研究，得到了鋪裝層裂縫的主要形式、位置和環(huán)氧瀝青混凝土的宏觀斷裂依據(jù)等[1-4]。但現(xiàn)有研究僅考慮了行車荷載對裂縫擴展的影響及水分沿裂縫向下滲透造成的鋪裝水損害，行車荷載產(chǎn)生的鋪裝層表面動水壓力對既有鋪裝裂縫的影響沒有引起足夠的關(guān)注。國內(nèi)外學者主要從瀝青混合料試驗、瀝青路面動水壓力試驗和路面內(nèi)部孔隙水壓力等方面研究瀝青路面的水損害，綜合分析可知瀝青路面水損害主要有3個原因：1)瀝青混合料的水穩(wěn)性不好，粘附性較差，在行車荷載的反復沖擊和表面積水的長期浸泡下，造成瀝青路面表面松散和坑洞；2)瀝青路面表面在行車荷載作用下會產(chǎn)生動水壓力[5]，動水壓力對路表產(chǎn)生破壞，并且使瀝青路面的滲透性加大，水進入瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部；3)瀝青路面的孔隙率一般比較大，在行車荷載作用下，結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生的反復孔隙水壓力造成瀝青路面破壞。然而，環(huán)氧瀝青混合料的水穩(wěn)定性比傳統(tǒng)瀝青混合料要好很多，并且環(huán)氧瀝青混合料孔隙率非常小(1%～3%)，且大都不連通，能夠有效防止雨水滲入混凝土內(nèi)部，在行車荷載作用下，環(huán)氧瀝青鋪裝層結(jié)構(gòu)內(nèi)部基本不會產(chǎn)生孔隙水壓?；诖?，本文對鋪裝層表面動水壓力進行量化研究，為研究動水壓力對鋪裝層裂縫的影響提供依據(jù)。

1 輪胎變形有限元模擬

1.1輪胎充氣模型的建立

本文選用全鋼子午線輪胎10.00R20作為代表型輪胎，采用大型有限元軟件ABAQUS建立輪胎-鋼橋面鋪裝作用模型，鋪裝層材料選用環(huán)氧瀝青，模擬輪胎充氣過程，目的是獲取輪胎變形后的豎向位移及接地面積。

1.1.1 模型邊界條件

輪胎充氣模型中將胎圈與輪輞接觸簡化為節(jié)點的固定約束。主約束度為輪胎中心點向下位移，從約束度為輪輞與胎圈接觸處的節(jié)點集的向下位移。

鋪裝層的底面及側(cè)面都設置為固定約束，輪胎的邊界條件非線性體現(xiàn)在輪胎與橋面的接觸以及輪胎與輪輞的接觸邊界上，將輪輞假定為剛體。對于輪胎與鋼橋面鋪裝層的接觸方式，由于靜力計算中不考慮輪胎與路面之間的摩擦系數(shù)，采用約束函數(shù)法會達到較好的收斂效果，表達式為[6]：

(1)

式中：g為接觸面之間的縫隙寬度；λ為法向接觸力；εN為小變量。

1.1.2 模型基本參數(shù)

輪胎的各項參數(shù)見表1，環(huán)氧瀝青鋪裝層厚度為50 mm，彈性模量為1 000 MPa，泊松比為0.25[7]。

表1 輪胎各項參數(shù)

圖1 輪胎-鋼橋面鋪裝作用模型

1.1.3 輪胎-鋼橋面鋪裝作用模型

輪胎-鋼橋面鋪裝作用模型，如圖1所示。采用Full Newton 迭代法求解，同時根據(jù)收斂情況適當調(diào)整時間函數(shù)。在輪輞中心處施加集中荷載25 kN，采用隱式分析法，設置時間步為20步，每步最大迭代次數(shù)為15，最小迭代次數(shù)為0，收斂性依據(jù)為殘差檢查，相對殘差取0.1。

1.2輪胎充氣模型結(jié)果分析

輪胎充氣完成時，輪胎豎向位移如圖2a)(位移單位為mm)所示，輪胎接地印跡如圖2b)所示。本模型計算出完成充氣時輪胎的最大變形量為16.42 mm，輪胎接地面積約為391.60 cm2。

a)豎向位移 b) 接地印跡(放大后)圖2 輪胎充氣完成時的結(jié)果

1.3模型結(jié)果合理性證明

文獻[2]研究了不同尺寸、不同氣壓的輪胎在混凝土路面上行駛時的輪胎變形，提出輪胎變形經(jīng)驗公式為：

(2)

式中：δ為輪胎壓縮變形量，cm；C1為與輪胎設計有關(guān)的參數(shù)，對于斜交輪胎C1=1.15，對于子午線輪胎C1=1.5；W為輪胎上荷載，daN；D為輪胎外徑，cm；S0為輪胎寬度，cm；P為輪胎內(nèi)壓，kPa；K0=0.015S0+0.42。

根據(jù)式(2)，計算輪胎變形量為13.19 mm。

文獻[8]對輪胎接地面積進行了試驗，試驗表明：輪胎的接地形狀介于橢圓形和矩形之間，但對于重型車輪輪胎，接地形狀更接近于矩形。接地長度L和寬度B的經(jīng)驗計算公式為：

(3)

B=B0(1-exp(-tδ)) ，

(4)

因此，接地面積

(5)

式中：s,t為經(jīng)驗系數(shù)；A為接地面積，cm2；B為接觸寬度，cm；B0為胎冠寬度，cm；D為輪胎外徑，cm。

表2 有限元模擬值與理論值對比

根據(jù)式(5)得到A=354.15 cm2。

將本文有限元模擬輪胎-鋼橋面鋪裝作用模型的輪胎變形及接地面積結(jié)果與式(2)～(5)的理論計算結(jié)果相比較，如表2所示。

由表2可知：輪胎在鋼橋面混凝土鋪裝層上行駛產(chǎn)生變形的有限元模擬值與理論計算值相差2.45%。本文輪胎接地面積的有限元模擬值與文獻[2]理論計算值相差9.56%。兩個結(jié)果誤差都在10%以內(nèi)，驗證了輪胎充氣有限元模型的合理性。因此，利用輪胎充氣模型得到豎向位移和輪胎接地面積，計算流體域中輪胎的幾何尺寸。

2 鋼橋面鋪裝層表面動水壓力有限元模擬

2.1建立模型

2.1.1 動水壓力

輪胎接地壓力均勻分布后，汽車在有水路面上的行駛可看成是路面和均勻厚度的水膜以一定速度沖擊胎面[9-12]。因此，本文以輪胎為參照物，假設空氣和水以一定速度向輪胎運動，模擬輪胎在鋪裝層表面的行駛過程，以得到鋪裝層表面的動水壓力。

2.1.2 輪胎花紋

輪胎花紋主要分為橫向花紋、縱向花紋及復合花紋[13]。橫向花紋的花紋溝與圓周方向垂直，適用于普通路面、非鋪裝路面、路況較差的路面。縱向花紋的花紋溝與圓周方向一致，抗滑性能好，適用于鋪裝路面和高速路面。故本模型選取適合鋪裝路面且易產(chǎn)生動水壓力的縱向花紋輪胎。

2.1.3 水膜厚度

文獻[14]根據(jù)我國路面結(jié)構(gòu)情況，進行了人工降雨試驗，利用回歸分析得到道路水膜厚度的回歸方程。因此，模型中選取最小水膜厚度為3 mm，最大為10 mm。

2.1.4 鋪裝層表面水及空氣參數(shù)

已有研究證實：K-ε紊流模型能夠用于模擬高速下的水流[15]，水和空氣的慣性和黏性對動水壓力有較大影響[16]。本文選取水的密度為997.1 kg/m3、動力黏度為0.894×10-3N·s/m3、運動黏度為0.897×10-6m2/s；空氣密度為1.204 kg/m3,動力黏度為1.82×10-5N·s/m3,運動黏度為1.51×10-5m2/s。

圖3 輪胎模型計算區(qū)域

2.1.5 模型計算范圍

經(jīng)過反復試算，確定該流場模型的計算范圍為：長800 mm，寬600 mm，高40 mm。

2.1.6 流體模型中輪胎尺寸

如圖3所示，模型下表面的長度為182.99 mm(沿輪胎花紋走向定為長度方向)，輪胎行駛斷面寬度為214 mm(輪胎花紋走向的法向定為寬度方向)。模型上表面的長度為325.62 mm，上表面斷面寬度為278 mm。圓弧對應的圓心角為36°。輪胎花紋寬度取8 mm，深度取8 mm，長度跟模型下表面接地長度一致，取260.86 mm，每2條縱向花紋間隔25 mm。

2.1.7 流體模型計算域

圖4 流體域計算模型

根據(jù)輪胎充氣完成后得到的豎向位移及接地面積，計算出輪胎充氣完成后流體模型中需要的幾何外觀尺寸，運用FLUENT自帶前處理軟件GAMBIT對流體模型進行布爾操作，得到流體計算域，如圖4所示。該模型是兩相流，上層空氣厚度為32 mm，下層水膜厚度為8 mm。

2.1.8 時間函數(shù)施加方案

車輛行駛具有一定的時序性，荷載之間具有一定的時間差，大約為0.01～0.10 s[17]。當車輛行駛速度為80 km/h時，等效作用時間T=0.064 s[18]。

2.1.9 邊界條件

在流體域模型的前端設置空氣和水的入口速度為22.22 m/s(行車速度80 km/h)。模型底面設置成可移動墻體，其速度與空氣和水一致，模型的后部和上表面設置為壓力出口，模型側(cè)面設置為絕對光滑的靜止墻體。

2.1.10 流場初始化

由于FLUENT軟件會產(chǎn)生離散誤差和截斷誤差等問題，如果初始場過于偏離實際的物理場，計算很難收斂。本模型取初始壓力為0.101 MPa，初始入口速度為22.22 m/s，初始溫度取常溫25 ℃。

2.2計算結(jié)果分析

2.2.1 動水壓力

圖5 鋪裝層表面動水壓力

將模型分為4個時間步，每步時間為0.016 s，0.064 s時鋪裝層出現(xiàn)最大表面動水壓力，為0.213 MPa，如圖5所示(圖中壓力單位為MPa)。

模型計算出的最大動水壓力出現(xiàn)在輪胎前端接地處，現(xiàn)取如圖6所示的車輪荷載作用下鋼橋面鋪裝層水膜的流速(單位為m/s)分布圖分析其原因。在輪胎的前端處，有大量的水高速運動，而輪胎的后端只有少量的水以2 m/s左右的速度被排出。由此表明：車輛高速行駛時，流入輪胎接地區(qū)域的水量超出了輪胎花紋的排水能力，僅少量的水通過輪胎縱向花紋排出，大量水在胎面前端出現(xiàn)滯留，形成較大動水壓力。

2.2.2 動水壓力模型有效性證明

行車速度為80 km/h時，F(xiàn)LUENT模型得到的最大動水壓力與文獻[19]實測結(jié)果相比誤差為8.97%，與文獻[20]實測結(jié)果相比誤差為6.58%，由此證明了此計算流體力學模型的合理性和有效性。

圖6 車輪荷載作用下鋪裝層表面水膜流速

2.2.3 參數(shù)敏感性分析

2.2.3.1 行車速度和水膜厚度

圖7 不同水膜厚度下的動水壓力

分別取鋼橋面鋪裝層表面水膜厚度為3、5、8、10 mm，輪胎花紋深度為8 mm，研究不同行車速度下(選取行車速度為40、60、80、100 km/h,對應的空氣和水的入口速度分別為11.11、16.67、22.22、27.78 m/s)，水膜厚度對動水壓力的影響，計算結(jié)果圖7所示。

由圖7可以看出：①鋪裝層表面動水壓力隨水膜厚度的增加而增大，且不同水膜厚度下動水壓力的增大趨勢基本一致。②水膜厚度相同時，動水壓力隨車速的增大而增大。③水膜厚度為10 mm時，動水壓力明顯比其他水膜厚度大。分析原因為：輪胎花紋深度為8 mm，水膜厚度為10 mm時，水膜厚度大于輪胎花紋深度，輪胎花紋排水能力明顯不足，導致水集中于輪胎前端而產(chǎn)生較大的動水壓力。因此，在車輛不產(chǎn)生滑水的情況下，水膜厚度越厚行車速度越高，產(chǎn)生的動水壓力越大。

水膜厚度為10 mm、輪胎花紋深度為8 mm、行車速度為100 km/h時，產(chǎn)生的動水壓力最大，為0.349 MPa；水膜厚度為3 mm、行車速度為40km/h時，產(chǎn)生的動水壓力最小，為0.103 MPa。

2.2.3.2 輪胎花紋

圖8 不同輪胎花紋下的動水壓力

隨著胎面磨損量的增加，胎面花紋深度越來越淺，對路面的附著力隨之下降，易造成輪胎滑水。建立已經(jīng)磨損的輪胎模型(輪胎花紋深度分別為5和3 mm)，研究不同輪胎花紋深度條件下鋼橋面環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝層動水壓力變化規(guī)律，如圖8所示。

由圖8可知，輪胎花紋深度減小，產(chǎn)生的動水壓力增加，并且輪胎花紋深度為8 mm時，產(chǎn)生的動水壓力明顯小于其他兩種工況。分析原因為：水膜厚度為8 mm，輪胎花紋深度為8 mm能夠較流暢的將水通過縱向花紋排出。輪胎花紋深度為5 mm時，縱向花紋的排水作用依然明顯。但是當輪胎花紋深度為3 mm時，動水壓力明顯增大，說明縱向花紋已經(jīng)不利排水。因此，輪胎花紋磨損量增加對排水不利，產(chǎn)生的動水壓力較新輪胎大。

綜上所述，行車速度增加、水膜厚度增大、輪胎花紋深度減小都會造成鋼橋面鋪裝層表面動水壓力的增大。取行車速度為100 km/h、水膜厚度為10 mm、輪胎花紋深度為3 mm這一最不利工況進行CFD計算分析，得到鋪裝層表面最大動水壓力為0.399 MPa。

3 結(jié)論

1)采用有限元軟件ABAQUS建立輪胎-鋼橋面環(huán)氧瀝青鋪裝模型，得到充氣完成時輪胎的豎向位移和接地面積，獲取了流體計算域中輪胎的形狀及尺寸。根據(jù)計算流體力學，利用CFD-FLUENT經(jīng)布爾操作得到需要的流體模型。

2)通過變化空氣和水的入口速度、水膜厚度及輪胎花紋深度等參數(shù)，計算不同工況下的動水壓力，結(jié)果表明：行車速度增加、水膜厚度增大、輪胎花紋深度減小都會造成鋪裝層表面動水壓力的增大，得到鋼橋面環(huán)氧瀝青鋪裝層表面產(chǎn)生的最大動水壓力為0.399 MPa。

3)對于重復荷載作用下動水壓力對鋼橋面環(huán)氧瀝青鋪裝的影響仍需進一步研究。

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NumericalSimulationofHydrodynamicPressureofEpoxyAsphaltPavementonSteelBridgeDeck

XUJing

(JiangsuPatentExaminationCooperationCenter,ThePatentOffice,Suzhou215163,China)

For the influence of dynamic hydraulic pressure on the pavement layer surface under the vehicle load, the water damage to the epoxy asphalt pavement on the steel bridge deck and its hydraulic pressure are studied in the paper. The finite element software ABAQUS is adopted to establish the tire-deck paving interaction model of the epoxy asphalt pavement to obtain tire shape and size of the fluid computational domain. The orthotropic composite finite element model of the steel bridge deck is established based on hydromechanics, and the dynamic water pressure generated by the tires traveling on the pavement surface is numerically simulated by FLUNET. Finally, the impact of such factors as driving speed, water film thickness and tire tread depth on the hydraulic pressure is analyzed and the most unfavorable condition is obtained.

epoxy asphalt pavement; dynamic hydraulic; pressure

U443.33

：A

：1672-0032(2017)03-0067-07

(責任編輯：郎偉鋒)

2017-01-09

許靜( 1987—) ，女，山東茌平人，實習研究員，工學碩士，主要研究方向為道路、橋梁、鐵道工程的專利審查，E-mail:xujing_1987@126.com.

10.3969/j.issn.1672-0032.2017.03.011