持續(xù)高溫重載條件下車轍發(fā)展規(guī)律

張 蘭 峰

(廣東交通職業(yè)技術(shù)學院，廣東 廣州 510650)

車轍作為瀝青路面特有的破壞形式,主要是輪跡帶處的路面材料在車輛荷載的反復作用下產(chǎn)生壓實和側(cè)向剪切永久變形[1]。路面在使用過程中經(jīng)受著持續(xù)變化的氣溫、太陽輻射、地面反射等影響[2]，瀝青混合料屬于熱敏感性材料,溫度顯著影響其力學特性。在分析路面車轍時,不能忽略外界氣溫連續(xù)變化對路面結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度的影響。路面結(jié)構(gòu)層采用單一不變的溫度來分析計算車轍是不符合實際狀況的。本文通過ABAQUS有限元計算得在溫度連續(xù)變化時瀝青路面的溫度場,在更符合實際的瀝青路面連續(xù)變溫條件下進行車轍變形模擬分析,研究路面車轍與氣候、荷載條件的關(guān)系。首先采用ABAQUS有限元軟件建立路面結(jié)構(gòu)溫度場模型,進行熱傳導分析,在此模型基礎(chǔ)上進行路面車轍計算。

1 建立溫度場模型

采用典型的半剛性基層路面結(jié)構(gòu)建立模型，為了更實際模擬溫度變化條件下路面結(jié)構(gòu)溫度場的情況,需作如下假設(shè):1)路面各層為各向同性材料,層間接觸連續(xù)、熱流傳導連續(xù);2)水平方向不存在溫度梯度。

1.1 路面結(jié)構(gòu)參數(shù)

半剛性基層路面結(jié)構(gòu)參數(shù)參考[3,4],如表1～表3所示。

表1 路面溫度場分析熱特性參數(shù)表

表2 瀝青混合料彈性參數(shù)

表3 基層和土基材料的彈性參數(shù)

1.2 周期性變溫下的溫度場理論

路面溫度場模型中，采用周期性變化的邊界條件近似模擬環(huán)境溫度呈周期性變化的實際情況。由于作用于路面模型的邊界條件呈周期性變化,所以其溫度場解也呈現(xiàn)周期性變化[5]。

1)太陽輻射的影響。

同濟大學嚴作人等人將太陽輻射日變化過程近似地描述為:

(1)

其中，Q0為單位時間最大輻射量，J/m2,Q0=0.131mQs,m=12/c；Qs為日太陽輻射總量，J/m2;c為實際日照時間，h;ω為頻率，ω=2π/24，rad。

2)氣溫的影響。

大氣溫度呈日周期性變化，這種變化可采用兩個正弦函數(shù)的線性組合方程來表示為:

(2)

3)路面有效輻射。

路面有效輻射受地面溫度、氣溫、云量、空氣濕度等影響，所以路面有效輻射需要修正。修正后的路面有效輻射如式(4)所示:

qF=εδ[(T1|z=0-Tz)4-(Ta-Tz)4]

(4)

其中，qF為地面有效輻射，W/(m2·℃);ε為路面反射率;δ為Stefan-Boltzmann常數(shù)，δ=5.669 7×10-8W/(m2·K4);T1|z=0為路表溫度，℃;Ta為大氣溫度，℃;Tz為絕對零度值，Tz=-273 ℃。

瀝青路面溫度場模擬需要明確某一天24 h連續(xù)變化的溫度,計算選取夏季具有代表性一天的溫度，詳細溫度見表4。

表4 高溫季節(jié)1天24 h溫度表

1.3 模型建立要點

溫度場模型為寬度為7.5 m,高度為3 m模型，單元類型為DC2D8(8結(jié)點四邊形熱傳導單元)，見圖1。在Step模塊,將創(chuàng)建用于溫度荷載加載分析的steady heat transferd穩(wěn)態(tài)分析步和transit heat transfer瞬態(tài)分析步。溫度場荷載通過調(diào)用用戶子程序來實現(xiàn),在子程序中設(shè)定日照時間、日太陽輻射總量、中午最大輻射量、頻率、太陽輻射吸收率、路面熱流量等參數(shù)。定義路面同周圍大氣進行熱交換的過程是通過相互作用定義的。在進行熱流交換時是通過定義子程序來實現(xiàn),子程序中需設(shè)定對流系數(shù)、日平均風速、日最高氣溫、日最低氣溫、日氣溫變化幅度、日平均氣溫、氣溫變化時間差、頻率等參數(shù)[6]。

根據(jù)圖2得到，路表溫度最高時刻為14：00，溫度為55 ℃，溫度云圖如圖3所示；路表最低溫度時刻為6:00，溫度為25 ℃，溫度云圖如4所示。

2 計算結(jié)果分析

車轍模型尺寸和網(wǎng)格劃分與溫度場模型相同，但車轍模型的單元類型為CPE8R(8結(jié)點平面應(yīng)變四邊形減縮積分單元)。

2.1 車轍與速度、接地應(yīng)力關(guān)系

影響車轍的主要因素有溫度、荷載作用時間、荷載作用大小，荷載作用時間主要通過車輛行駛速度來體現(xiàn)。模擬分析行車速度分別設(shè)為v=30 km/h，v=60 km/h，v=80 km/h，v=100 km/h，v=120 km/h。荷載作用大小通過接地應(yīng)力體現(xiàn)，接地應(yīng)力分別設(shè)為p=0.7 MPa，0.9 MPa，1.1 MPa，1.3 MPa，1.5 MPa，1.7 MPa,假定荷載累積作用次數(shù)為50萬次，通過分析計算研究車轍與行車速度、接地應(yīng)力關(guān)系。

由圖5可知，在相同的接地應(yīng)力和荷載次數(shù)作用下，行車速度越慢，荷載作用時間越長，造成車轍深度會越大，從30 km/h增加到60 km/h，車轍深度減少32.5%；從60 km/h增加到80 km/h，車轍深度減少12.4%；從80 km/h增加到100 km/h，車轍深度減少9.23%；從100 km/h增加到120 km/h，車轍深度減少7.92%。在相同的行駛速度和荷載次數(shù)作用下，接地應(yīng)力越大，車轍深度越大，并且可以得到車轍與接地應(yīng)力呈線性關(guān)系，接地應(yīng)力每增加0.2 MPa，車轍深度增加大約為24.67%。超載時，一般車速行駛較慢，而且接地應(yīng)力較大，是導致車轍加劇雙重因素的結(jié)合。要嚴格控制超載問題，這是減小車轍的重要方法。

2.2 車轍與荷載累積作用次數(shù)關(guān)系

隨著行駛車輛的增加，瀝青路面出現(xiàn)車轍破壞的時間在提前。分析荷載所用次數(shù)與車轍深度的關(guān)系時，設(shè)定接地壓力0.7 MPa，研究不同行車速度下荷載作用1萬次、10萬次、50萬次、100萬次的車轍深度，見表5。在step中荷載累計作用時間計算公式：

(4)

其中，t為輪載累積作用時間，s；N為輪載作用次數(shù)，次；P為車輛軸重，kN；nw為軸的輪數(shù)，個；p為輪胎接地壓力，MPa;B為輪胎接地寬度，cm;v為行車速度，km/h。

表5 接地應(yīng)力0.7 MPa,荷載作用次數(shù)等效時間表 s

從圖6可以得到，當接地應(yīng)力相同時，荷載作用次數(shù)越大，車轍深度也越大，荷載作用次數(shù)為從1萬次增加到10萬次，車轍深度增加130.2%；荷載作用次數(shù)為從10萬次增加到50萬次，車轍深度增加103.1%；荷載作用次數(shù)為從50萬次增加到100萬次，車轍深度增加85.6%。進行合理交通管制，分流交通荷載，降低荷載作用次數(shù)，也是降低車轍深度的有效方法。

3 結(jié)語

1)路面結(jié)構(gòu)溫度隨時間和結(jié)構(gòu)層深度連續(xù)變化,影響隨溫度變化的材料特性,在ABAQUS有限元軟件中,引入連續(xù)變溫的路面溫度場進行路面車轍模擬更加符合實際狀況。

2)行駛速度對車轍有重要影響，在相同的接地應(yīng)力和荷載次數(shù)作用下，行車速度越慢，車轍深度越大。這符合實際情況，在長大縱坡和收費站、停車場、紅綠燈口處的車轍較路面其他位置嚴重。

3)輪胎充氣壓力和載荷對路面的作用體現(xiàn)在接地應(yīng)力上，在荷載作用次數(shù)相同情況下，接地應(yīng)力越大，車轍深度越大，且接地應(yīng)力與車轍深度呈線性關(guān)系。

4)在瀝青混合料配合比設(shè)計中,夏季溫度較高且持續(xù)時間長的地區(qū)，鋪設(shè)瀝青路面，必須著重關(guān)注高溫條件下瀝青混凝土的抗車轍性能;在路面使用過程中,應(yīng)盡量控制超載,防止車轍快速發(fā)展。